¿Qué hay en el medio de la sombra que forma un objeto al ser iluminado? Esta pregunta parece ridícula, ¡por supuesto que hay más sombra! ¿No? Hace 200 años esta pregunta fue la causa de una gran discusión entre los científicos de la época, que comenzaban a indagar sobre naturaleza física de la luz, y nos demuestra que la ciencia es un proceso humano que se modifica y actualiza mediante debates, nuevas evidencias de experimentos y consensos en las ideas emergentes.
Desde que Newton propusiera, en 1704, que la luz se comporta como partículas viajando en línea recta, la comunidad científica europea operó asumiendo que este modelo era perfectamente preciso. Pero eso comenzó a cambiar un siglo después, en 1807, cuando Thomas Young, un científico inglés, realizó un experimento que no podía explicarse fácilmente con el modelo de partículas de luz de Newton.
El experimento de Young fue simple: hizo brillar una luz contra una tabla con dos pequeñas rendijas y luego observó la imagen sobre una pared detrás de las rendijas. ¿Qué esperarías ver? Según el modelo de la luz formada por partículas de Newton deberíamos esperar que aparezcan las franjas iluminadas correspondientes a las dos rendijas y nada más, ¿cierto? Pero lo que Young observó no fue nada parecido. Él encontró un patrón de puntos luminosos consecutivos como el que se muestra en la figura, y que hoy llamamos Difracción.
Patrón de difracción de dos rendijas como el observado por Thomas Young
Fuente: https://plus.maths.org/content/physics-minute-double-slit-experiment-0
Este resultado sacudió a la comunidad científica: Un nuevo experimento sin explicación. Y permaneció así más de una década. En 1818 la Academia de Ciencias francesa lanzó una competencia para buscar la mejor explicación para el fenómeno de Difracción observado en 1807 por Young. En esta competencia entró el físico francés Augustin-Jean Fresnel, proponiendo un modelo físico para la luz distinto y revolucionario: considerar a la luz una onda.
Según su explicación, la luz es una onda que al pasar por la doble rendija forma dos frentes de onda separados pero que luego se superponen e interfieren entre ellos. Cuando los picos o máximos de uno de los frentes de onda se encuentran con los picos del otro, se suman y forman un punto luminoso sobre la pared, lo que se denominó interferencia constructiva. Pero cuando los picos de uno se encuentran con los valles o mínimos del otro frente, se cancelan y resulta en una zona de oscuridad sobre la pared, llamado entonces interferencia destructiva. El mismo efecto se puede observar con ondas más familiares, por ejemplo las que podemos hacer sobre una superficie de agua quieta. En las siguientes figuras se ilustra este efecto.
Derek Muller del canal de YouTube Veritasium, demostrando el efecto de interferencia entre dos frentes de onda en una superficie de agua
Fuente: https://www.quantumactivist.com/quantum-physics-may-have-just-gotten-simpler/
Entre los jueces de esta competencia científica estaba el físico y matemático francés Simeón Denis Poisson, quien se opuso terminantemente a la explicación de Fresnel, ya que era un ferviente defensor del modelo de la luz como partícula. Para desacreditar el modelo ondulatorio, calculó que si la luz en efecto se comportara como una onda, como proponía Fresnel, al poner un cuerpo circular en un rayo de luz la interacción de las ondas de todos los bordes daría como resultado una interferencia constructiva de forma que en el centro de la sombra circular habría un punto luminoso tan brillante como si el disco no estuviera ahí.
Para Poisson, cómo para cualquiera de nosotros sin mayores conocimientos y por pura intuición, la idea de que este punto luminoso pudiera existir era absurda y no requería más investigación, ¿Cómo podría haber luz en el medio de una sombra? Con este argumento Poisson creyó desacreditar el modelo ondulatorio de la luz. Pero entre los jueces también se encontraba Dominique François Jean Arago, también matemático y físico francés, quien decidió darle una oportunidad a la teoría ondulatoria de Fresnel, y procedió como corresponde en una investigación científica: Decidió realizar el experimento sugerido por Poisson para comprobar si dicho punto luminoso de hecho existía o no.
Para ello necesitó una fuente de luz pequeña, aproximadamente puntual, ya que si utilizaba fuentes de luz más amplias, ocurriría la interferencia de los rayos de luz emitidos a uno y otro lados de la fuente, haciendo que los bordes de la sombra y el punto luminoso en el centro se vean difusos, y, por lo tanto, llegar a pensar que el fenómeno postulado por Fresnel no ocurre. Arago usó una caja opaca con una llama dentro como fuente de luz (¡no existía otra forma de generar luz a comienzos del siglo XIX!) y un pequeño orificio por el que escapara la luz. Para producir la sombra usó un disco de metal pulido pegado con cera a un vidrio. Era muy importante que el objeto sea un círculo muy preciso para poder observar el fenómeno.
Al realizar el experimento, Arago pudo observar claramente que el punto luminoso calculado por Poisson efectivamente aparecía brillando en medio de la sombra, poniéndole fin a la disputa y confirmando el éxito de Fresnel y su teoría ondulatoria, lo que significó ganar el premio de la Academia Francesa de Ciencias. En la figura siguiente se muestra una versión moderna de este experimento, donde se observa nítidamente el punto luminoso en el centro de la sombra producida por una pequeña esfera.
Punto luminoso en una sombra circular, resultado de iluminar una pequeña esfera con un haz de luz láser. Equivalente moderno al experimento realizado por Arago.Fuente: https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/poissons-spot
Éste punto brillante a veces es llamado “Punto de Fresnel”, ya que fue su teoría ondulatoria la que lo predijo; otras veces se lo llama “Punto de Arago”, porque fue su experimento el que lo encontró; pero también es muy común encontrarlo como “Punto de Poisson” a pesar de que él no creía en su existencia, un recordatorio irónico de que no siempre son los éxitos de un científico lo que la historia registra, a veces son los mayores fracasos. Cabe mencionar que Poisson fue uno de los matemáticos más destacados y reconocidos de su época, con una producción científica enorme.
Pero así es la ciencia, todos tienen derecho a dar opiniones e interpretaciones sobre un fenómeno físico en particular, pero luego hay que probarlas, y el que acierta… ¡se lleva los honores!
Sobre los personajes involucrados
Thomas Young (13 de junio de 1773 – 10 de mayo de 1829) fue un médico, físico y lingüista inglés. Además del experimento de doble rendija mencionado anteriormente, entre sus logros científicos se encuentran el haber desarrollado un modelo matemático para la elasticidad de materiales; inventado un dispositivo para afinar instrumentos musicales; investigado propiedades físicas de los líquidos; haber contribuido a descifrar muchos de los jeroglíficos egipcios en la Piedra de Rosetta y estudiado la visión humana describiendo el funcionamiento del cristalino del ojo, el astigmatismo y nuestra visión del color mediante tres fotoreceptores (o sensores). Muchas veces se han referido a él como “el último hombre que sabía todo” por la gran variedad de campos del conocimiento que dominaba. Murió de arteriosclerosis a los 56 años.
Augustin-Jean Fresnel (10 de mayo de 1788 – 14 de julio de 1827) fue un físico e ingeniero francés que centró sus investigaciones en el estudio de la luz. Propuso un modelo ondulatorio para la luz, con lo que ganó el premio de la Academia Francesa de Ciencias. Uno de sus inventos más famosos son las Lentes de Fresnel, un diseño de lente “escalonada” que permite tener la capacidad de una lente grande de mucha curvatura utilizando mucho menos material que una lente convencional. Estas lentes son muy comunes en faros, visores de realidad virtual, faros de autos y otros vehículos, entre otros. Además estudió, junto con Dominique François Jean Arago, una propiedad física importante de la luz llamada polarización, que se desprende del propio modelo de la luz como onda que propuso años antes. Murió de tuberculosis a los 39 años.
Simeón Denis Poisson (21 de junio de 1781 – 25 de abril de 1840) fue un físico y matemático francés. En el campo de la matemática avanzada es reconocido por sus estudios en estadística, análisis complejo y ecuaciones diferenciales parciales. En el campo de la física fueron importantes sus contribuciones en electromagnetismo, termodinámica y análisis de sistemas mecánicos. Fue un reconocido profesor en una prestigiosa universidad francesa por 12 años antes de ingresar a la Academia Francesa de Ciencias y luego al Consejo Real de Instrucción Pública, donde dirigió la enseñanza de matemática de todos los colegios de Francia. Murió a los 58 años en Francia.
Dominique François Jean Arago (26 de Febrero de 1786 – 2 de Octubre de 1853) fue un matemático, físico, astrónomo, político y masón francés. En 1806 inició un proyecto para medir la longitud de un arco del meridiano Dunkerke – Barcelona. Esta medición fue usada para refinar la definición del metro que, ya en 1791, había sido definido como 1/10.000.000 de la distancia entre el Polo Norte y el Ecuador. Durante este proyecto y dado el contexto del peligro inminente de la expansión de Napoleón hacia el resto de Europa, fue confundido con un espía francés en España y tomado prisionero. Durante el siguiente año atravesó numerosas dificultades antes de poder regresar a París, pero durante todo ese tiempo logró guardar sus notas y pudo entregarlas al Bureau Des Longitudes. Como recompensa por su dedicación a la ciencia fue nombrado miembro de la Academia Francesa de Ciencias a la inusualmente joven edad de 23 años. Tras este éxito fue nombrado profesor del École Polytechnique, astrónomo del Observatorio de París y miembro del Bureau Des Longitudes. Sus principales descubrimientos fueron en los campos del magnetismo y la luz, como el magnetismo de rotación, las propiedades ondulatorias de la luz y la relación entre la Aurora Boreal y el campo magnético terrestre. También fue quien abrió las puertas de la Academia de Ciencias a los periodistas, iniciando así el campo de la divulgación científica.
Bibliografía:
- https://physicsworld.com/a/the-spot-in-the-shadow/
- https://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/light/Poisson-Arago-dot.html
- https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/poissons-spot
- https://www.quantumactivist.com/quantum-physics-may-have-just-gotten-simpler/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Arago_spot
- https://www.youtube.com/watch?v=y9c8oZ49pFc