Refracción de partículas y ondas

Una de las perspectivas considera la luz como una naturaleza ondulatoria; esta produce energía que atraviesa los espacios en una forma parecida a ondas pequeñas que se extienden por la superficie de un estanque en calma tras la caída de una roca. La perspectiva opuesta sostiene que la luz se compone de un flujo constante de partículas, como pequeñas gotas de agua rociadas por la boquilla de una manguera de jardín. A través de este tutorial interactivo, se analizará el comportamiento de las partículas y las ondas cuando se refractan a través de una superficie transparente.

El tutorial trata primero las partículas provenientes de la luz roja monocromática (fotones) que chocan con la superficie de un bloque de vidrio, lo que genera un ángulo de incidencia de aproximadamente 30 grados. Cuando las partículas entran en el vidrio, se refractan de acuerdo con la ley de Snell y atraviesan el medio manteniendo una trayectoria lineal. Cuando las partículas (en la parte inferior del bloque) entran en contacto con el segundo límite de vidrio/aire, se refractan nuevamente y viajan de regreso al espacio en ángulo. El control deslizante de partícula/onda, ubicado debajo del bloque de vidrio, puede ser usado para transformar el haz de partículas en un frente de onda plano. Antes de convertirse en una onda, las partículas se alinean en ondas.

Christiaan Huygens, en toda su intuición, había evocado en su tratado de 1690, Traité de la Lumière, que las ondas de luz viajaban por el espacio mediante el éter, una sustancia mística ingrávida, que existe como una entidad invisible en el aire y el espacio. La búsqueda del éter se tradujo en la pérdida de una cantidad significativa de recursos durante el siglo XIX antes de ser finalmente abandonada. La teoría del éter duró al menos hasta finales de 1800, tal y como lo demuestra el modelo propuesto por Charles Wheatstone, el cual planteaba que el éter transportaría ondas de luz al vibrar en un ángulo perpendicular en la dirección de la propagación de la luz, así como los modelos detallados de James Clerk Maxwell que describen la construcción de la sustancia invisible. Huygens creía que el éter vibraba en la misma dirección que la luz y formaba una onda mientras transportaba las ondas de luz. En un volumen posterior, el Principio de Huygens, él describió ingeniosamente cómo cada punto de una onda podía producir su propia ondícula, cuya suma posterior permitía formar un frente de onda. Huygens empleó esta idea para producir una teoría detallada del fenómeno de la refracción, y también para explicar por qué los rayos de luz no chocan entre sí al cruzarse.

Cuando un haz de luz viaja entre dos medios dotados de diferentes índices de refracción, el haz experimenta refracción, y cambia de dirección cuando pasa del primero al segundo medio. Para determinar si el haz de luz está compuesto por ondas o partículas, es posible idear un modelo para cada una de ellas a fin de explicar el fenómeno (Figura 1). Según la teoría ondulatoria de Huygens, una pequeña parte de cada frente de onda angular debería impactar en el segundo medio antes de que el resto del frente alcance la interfaz. Esta porción comenzará a moverse a través del segundo medio mientras que el resto de la onda seguirá su trayectoria por el primer medio, pero se desplazará de forma más lenta debido al mayor índice de refracción del segundo medio. Puesto que el frente de onda ahora viaja a dos velocidades diferentes, se curvará hacia el segundo medio, lo que cambia el ángulo de propagación. Por el contrario, con la teoría de partículas es bastante difícil demostrar por qué las partículas de luz deben cambiar de dirección cuando pasan de un medio a otro. Los defensores de la teoría sugieren que una fuerza especial, dirigida perpendicularmente a la interfaz, actúa para cambiar la velocidad de las partículas cuando ingresan al segundo medio. La naturaleza exacta de esta fuerza se ha abandonado al campo de la especulación, y nunca se ha recopilado evidencia para probar dicha teoría.