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Modelos de la luz Germán Arenas Sicard Físico, Dr. rer. nat. Bogotá, agosto de 2012 1
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Modelos de la luz
Germán Arenas Sicard
Físico, Dr. rer. nat.
Bogotá, agosto de 2012
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¿Por qué “modelos”?
La luz es algo que se da por asegurado; la mayoría (¿todos?) de los seres vivos tenemos una respuesta frente a la luz. Tenemos todos una experiencia.
• Pero ¿qué es la luz?...
La respuesta estándar “Es la forma de energía radiante (radiación) que estimula los órganos de la visión; para el ojo humano normal tiene longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros y viaja a una velocidad cercana a [30 cm/nanosegundo]” puede sacarnos del problema, pero…¿Es cierta? ¿Es completa?
http://www.play-hookey.com/optics/what_is_light.html, consultada 21.02.2011
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¿Qué falta en esa respuesta?
• Una pregunta con muchas respuestas:
• Cosmología europea, racionalista, objetivista, limitada.
• Comportamiento de la luz “por fuera del observador”.
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Comportamientos de la luz
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Modelo geométrico Modelo ondulatorio Pero… ¿modelo y naturaleza son lo mismo?
Comportamientos de la luz
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Rayos de luz
Comportamientos de la luz
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Explicación con base en un modelo electromagnético: Rayleigh
Comportamientos de la luz
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Explicación con varios procesos de “scattering” G. Mie
Modelo <> Explicación
En latín, • Lucere (luz) tiene significado de brillante, claro. • Lumen (luminosa) de luminaria, lámpara. • Lux, una pequeña lámpara.
El lumen (símbolo: lm) es la unidad del Sistema Internacional de Medidas para medir el flujo luminoso, una medida de la potencia luminosa percibida por nuestros ojos.
El lux (símbolo lx) es la unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades para la iluminancia o nivel de iluminación. Equivale a un lumen /m²
A Short Etymological Dictionary of Modern English, consultado a través de Google (21.02.2011)
http://www.compuphase.com/electronics/candela_lumen.htm
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Naturaleza de la luz ¿?
• Óptica geométrica: la luz se comporta como si estuviera formada por partículas (partes pequeñas) que se mueven en línea recta: la luz es un montón (horda) de partículas.
• Óptica ondulatoria: la luz se mueve como una onda y su interacción con otra materia es electromagnética: la luz es una onda electromagnética.
• La luz es onda y es partícula…. ¿De veras?
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¿Hay algo más? Sí, claro que sí.
• ¿Cómo se genera la luz? – ¿Por qué “sale” luz de una
vela encendida?
– ¿Por qué el color de la luz que sale de una vela?
• ¿Cómo se absorbe la luz en una hoja verde? (o en todo objeto).
• ¿Una cámara “ve” lo mismo que un ojo?
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Visión. Fotografía. Cámaras. Energía solar.
Dos revoluciones en la concepción del mundo. Siglos XIX y XX
• Física Estadística
– Movimiento browniano
– ¿Existen los átomos?
– ¿Qué relación hay entre lo micro y lo macroscópico?
• Física Cuántica
– ¿Cómo son los “átomos”?
– ¿Cómo son las interacciones y la energía?
(¿“Sociofísica”?)
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Acerca de la Física (1)
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Acerca de la Física (2)
“…empecé a creer que quien abandona una opinión que ya ha absorbido con la leche materna, para seguir otra, que comparten sólo infinitesimalmente pocos, y que es rechazada por todas las escuelas y también en realidad parece ser una enorme paradoja, que éste está necesariamente impulsado por argumentos de fondo, si no completamente forzado, por razonamientos más eficaces…”
G. Galilei, Diálogo sobre dos grandes sistemas del Mundo, Jornada segunda.
E. Schrödinger, The British Journal for the Philosophy of Science, 3, (1952), 109-123 [B 12]
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¿Cómo actuamos frente al conocimiento?
• INTER AULAS ACADEMIÆ QUÆRE VERUM.
Escudo UN : Busca la verdad en las aulas de la academia.
• NULLIUS ADDICTUS JURARE IN VERBA MAGISTRI.
Royal Society : Nadie está obligado a jurar sobre las palabras de su maestro.
¿Qué actitud tomamos frente al “conocimiento comprobado (en la práctica)”?
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¿Es la ciencia = la VERDAD?
• Una verdad construida socialmente.
• No “está” en los libros.
• Depende del contexto sociocultural.
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Modelos (representaciones) de cómo se comporta la luz
• Modelos cercanos a la experiencia
• Modelos medianamente abstractos
• Modelos muy abstractos
¿Cuándo los empleamos?
¿Por qué? ¿Para qué?
¿Es la naturaleza de la luz igual a la naturaleza de nuestro modelo?
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Modelos cercanos a la experiencia
• Un primer modelo: la luz se comporta como las partículas mecánicas (Newton).
• Un segundo modelo: la luz se comporta como las ondas (electromagnéticas).
¿Qué explica cada uno de los modelos?
¿Qué deja sin explicar? ¿Qué predice?
¿Qué dificultades ignora?
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Algunos modelos
Primer modelo: la luz se comporta como las partículas mecánicas.
Movimiento de la luz en línea recta (óptica geométrica, rayos de luz), reflexión y refracción de la luz.
En la actualidad se resuelven la mayoría de las tareas de la óptica con base en este modelo.
Dificultad: “Principio de Fermat” (¿qué dijo F.?)
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Otros modelos
Segundo modelo: la luz se comporta como las ondas (electromagnéticas)
Superposición de ondas, “difracción”, “interferencia” de la luz (experimentos bajo condiciones parecidas, pero resultados diferentes).
Ejemplo: separación de la luz blanca en colores, hologramas de seguridad, efectos diversos.
Dificultad: las fuentes de las ondas
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• Modelos medianamente abstractos
El modelo electromagnético.
Dispersión de la luz (cielo azul y atardecer rojo).
El modelo de Fourier.
Intensidad de la luz en varios fenómenos.
El modelo cuántico.
Generación y absorción de la luz.
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Modelos más abstractos
• Óptica moderna y fotónica.
• Tecnología óptica actual, por ejemplo de comunicaciones.
¿Qué explica cada uno de los modelos?
¿Qué deja sin explicar? ¿Qué predice?
¿Qué dificultades ignora?
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¿Habría un modelo unificado?
• Nuevas condiciones metafísicas.
• El proceso de cálculo cuántico.
• El modelo de fasores y la probabilidad.
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¿Por qué un modelo unificado? ¿Cuál es la ventaja de complicarlo?
Un ejemplo: el modesto interruptor eléctrico (explicación simple)
David M. Harrison, Dept. of Physics, Univ. of Toronto
http://www.upscale.utoronto.ca/PVB/Harrison/Flash/
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El mismo sistema en detalles microscópicos (más complejo)
• La corriente eléctrica en los metales es, ante todo, resultado del movimiento (lento) de muchísimas “portadoras de carga”, electrones.
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El cálculo de cómo pasarían los electrones las barreras
La probabilidad de paso se parece a la de una onda.
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Otro cálculo de la probabilidad de llegada de los electrones, ¡con evidencia experimental!
• Difracción de electrones (daguerrotipo de dios)
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Aplicaciones
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Estructura de los cristales, interacciones electrón-onda mecánica, etcétera
Retornemos al movimiento de la luz
• El movimiento de las partículas de luz (fotones, 1923) entre el emisor y el receptor.
Lo que vemos es el resultado del paso de miles de millones de fotones, no de uno solo.
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“Receta de cálculo” cuántico
• “Cada uno” de los fotones puede tomar caminos distintos. Para encontrar el patrón que forman todos, tome todos los caminos posibles; cada uno con una probabilidad propia; sume esas probabilidades como vectores (regla de suma) y calcule el cuadrado de la amplitud que obtenga.
• Ese cuadrado (que depende del aquí y el allá) es la probabilidad de que haya una intensidad luminosa “grande” allá.
• Debe realizarse el cálculo para cada punto allá, en el que se desee obtener la intensidad relativa.
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Representación gráfica
• Diagrama de la suma de amplitudes de probabilidad y la explicación de “dos o tres”. experimentos.
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• º
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¿Cómo es la probabilidad del “segundo” fotón?
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Otras consecuencias Feynman R.P., Electrodinámica Cuántica: la extraña
teoría de la luz y la materia, Madrid, Alianza Editorial, 2007.
El resultado del cálculo usando el método de Feynman no es nuevo, pero lo explica de modo distinto. Lo que sí es nuevo es la interpretación; por ejemplo se “explica” en óptica la propagación, la reflexión y la refracción de la luz con un “principio de mínimo tiempo”, el “principio de Fermat”. El problema de la explicación teleológica simplemente desaparece.
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Otras consecuencias
El método de Feynman explica además la interacción eléctrica entre partículas cargadas como un “intercambio de fotones”. Los cálculos correspondientes han resultado en predicciones extraordinariamente cercanas a los resultados experimentales.
Los métodos de la Electrodinámica Cuántica han servido, además, para desarrollar la teoría de las fuerzas entre partículas en el núcleo atómico, la “cromodinámica cuántica”.
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Terminaremos (por hoy) con una frase de R.P. Feynman:
“La luz se comporta como las partículas…
Esto, sobre todo, deben grabarse aquellos a quienes posiblemente en la escuela les narraron del carácter ondulatorio de la luz”
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