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FISICA Y ÓPTICA:
Ver es percibir a distancia
A través de la visión hacemos presentes en nuestra “conciencia”, objetos que se encuentran fuera de nosotros a distancias considerables.
Por, tanto bien sea la imagen una percepción directa, bien sea una construcción neuronal en nuestra mente, el hecho es que o bien la mente “sale fuera” (percepción directa), o bien el mundo “entra adentro” (construcción en la mente). Por consiguiente, tanto en un caso como en otro el mundo exterior forma parte esencial del circuito de la visión, es decir, del sistema visual.
La luz es la que integra ese mundo físico en el sistema visual
Física disciplina científica encargada de decirnos que es la luz
I: El espectro electromagnético y la naturaleza de la luz:
Suele citarse con frecuencia que, en el siglo XVIII, se preguntó a Benjamín Franklin por la naturaleza de la luz y respondió castizamente: “sobre la luz estoy en la oscuridad”. La afirmación sigue teniendo todavía sentido para nosotros.
- Dualidad corpúsculo-onda y velocidad de la luz
La luz es, pues, una entidad física que atraviesa el espacio y se desplaza a una cierta velocidad.
Albert A. Michelson dio la primera medición exacta de la velocidad de la luz. Premio nobel en 1907 por la medición de la luz.
Colocó una fuente luminosa que proyectaba un rayo de luz sobre una de las caras de un espejo rotatorio de forma octogonal. Esa luz se reflejaba sobre otro espejo plano situado a 22 millas de distancia y regresaba hasta reflejarse de nuevo en otra de las caras del espejo octogonal e iluminar por fin el punto de observación del experimentador. Al rotar a una cierta velocidad el espejo octogonal la luz se recibía intermitentemente en el puesto de observación del experimentador. Michelson pudo deducir correctamente por primera vez la velocidad de la luz, cifrada en 300.00 km/seg. Desde entonces, con otras tecnologías, se ha vuelto a medir la velocidad de la luz, siempre con resultados que oscilan ligeramente entorno al resultado de Michelson.
La luz fue concebida según dos modelos, primero excluyentes y después complementarios: como corpúsculo y como onda. Newton defendió la naturaleza corpuscular y Young la naturaleza ondulatoria. El paso definitivo lo die Einstein , considerando en 1905 que la luz no era ni corpúsculo ni onda, si no las dos cosas a la vez: debía ser considerada al mismo tiempo como las dos cosas, corpúsculo y como onda.
El fundamento del conocimiento científico del sistema visual es el conocimiento, en general, de la estructura física del mundo y, en especial, de la naturaleza de la luz.
En la teoría electromagnética clásica de las ondas (según Maxwell) la absorción de luz es un proceso continuo. Pero el descubrimiento de Plank en 1905 apuntaba a que la energía no se emitía de forma continua, sino discontinua: Así, el mínimo elemento de energía transmisible fue llamado por Plank “cuanto”. Y al aplicarse eso a la luz, se entendió que la emisión de energía vehiculada por la luz no podía ser continua. La luz debía estar formada por cuantos, por pequeños paquetes de energía que, como tales, podían ser absorbidos por los átomos. Einstein asumió esta idea cuántica de la luz y recupero la idea corpuscular, así el fotón era el corpúsculo de luz que poseía también propiedades ondulatorias. Se crea la formula Plank-Einstein.
La teoría física de la luz ha ido acompañada siempre de una cierta imprecisión conceptual.
La teoría electromagnética de Maxwell permitió entender que la luz, como onda electromagnética, se propagaba en el espacio vacío a velocidades semejantes a las que le eran atribuidas.
La idea común e la luz nos dice que es una forma de energía que se mueve a través del espacio vacío a alta velocidad con la extraña propiedad de que puede atravesar ciertas formaciones materiales sin alterarse. La luz se mueve en ciertos campos, y solo pierde este movimiento cuando es absorbida por otros cuerpos. La luz es así el fenómeno físico esencial en el universo, también se puede decir que es el vehículo fundamental de transmisión de información de unos sistemas más físicos a otros dentro del universo.
- Naturaleza y propiedades físicas de las ondas
Las ondas son perturbaciones que se transmiten a través de un medio. Hoy la respuesta común de la física cosiste en considerar que la luz es una perturbación que se produce y se transmite en el llamado “ campo electromagnético ”. El campo es aquí la zona del espacio en que se hace sentir la acción de atracción-repulsión propia de las cargas eléctricas. Cuando la carga eléctrica se mueve crea una perturbación en el campo producido que se propaga ondulatoriamente de forma perpendicular a la dirección del movimiento. Además, la ciencia física nos dice que la carga eléctrica en movimiento produce también un campo magnético perpendicular al campo eléctrico y a la dirección del movimiento; la carga en movimiento produce así perturbaciones ondulatorias en este nuevo campo magnético. Los campos electromagnéticos producidos por las partículas cargadas positiva o negativamente se anulan entre sí, de manera que muchos cuerpos permanecen en equilibrio neutro. Por tanto, entendemos ahora qué nos quiere decir la física al considerar que la naturaleza ondulatoria de la luz consiste en perturbaciones ondulatorias en el campo electromagnético.
Por consiguiente, las ondas se producen en el mundo físico de acuerdo con la naturaleza de los campos electromagnéticos y las cargas eléctricas de las partículas o cuerpos que los producen.
¿Son las ondas de alguna manera detectables?, sin duda producen muchos efectos físicos. Entre los efectos destacables está comprobado que las ondas electromagnéticas pueden hacer vibrar otras cargas eléctricas que se encuentren a su paso. Hertz intuyó que las ondas electromagnéticas podían ser detectadas por otras cargas oscilantes y así logro demostrarlo. Nuestros aparatos de radio están construidos sobre estos supuestos teóricos. Un mecanismo de traducción convierte los sonidos emitidos por el locutor en ondas electromagnéticas que se difunden en el espacio; un mecanismo de recepción basado en cargas oscilantes recoge esas ondas y por mecanismo inverso se convierte en sonidos humanos a través de los altavoces. Es
sobre la vida en todas sus manifestaciones, son innumerables. Las radiaciones presentes en la naturaleza van a ser uno de los instrumentos esenciales de la vida para recibir información del medio y sobrevivir.
II: Epistemología de la física de la luz:
La epistemología de la física de la luz busca examinar donde se encuentra hoy nuestro conocimiento sobre la luz para formular, primero, las preguntas adecuadas que lo hagan progresar hacia su enriquecimiento y para establecer, segundo, los métodos que permiten producirlo.
2.1 El problema de la física de la luz
Si la luz es una perturbación producida en esos campos electromagnéticos, entonces la luz no es nada en si misma sino la perturbación ondulatoria del campo.
Tanto la teoría electromagnética clásica , de naturaleza ondulatoria, como la teoría fotonico- cuantica de la luz , corpuscular, nos permiten explicar con toda precisión evidencias empíricas muy importantes sobre cómo se comporta la luz en el mundo real; es decir, las observaciones y medidas que podemos realizar sobre ella.
La imagen ondulatoria entiende la luz como perturbación ondulatoria producida en un campo físico previo que tiende a entenderse como continuo. La imagen corpuscular habla de espacios vacíos que son atravesados por corrientes de pequeñísimos “paquetes de energía” con frecuencias y propiedades ondulatorias asociadas. Serías los fotones. Entidades más o menos independientes que entran en acción con otras formas de materia corpuscular situadas a grandes distancias, por medio de las fuerzas de atracción repulsión entre ellas; a saber las cuatro grandes fuerzas de la naturaleza: la fuerza gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil.
Parece claro en todo caso, que la física tiene hoy una idea definida y precisa de lo que pudiera ser los corpúsculos de lo que pudiera ser la naturaleza de esos campos extraños en los que acontecen los fenómenos de la radiación ondulatoria producidos en el espacio.
2.2 El problema de la física de la visión
Existe una cierta contrariedad fenomenológica entre la experiencia de la percepción directa y la experiencia de la percepción irreal. Y esta diversidad de experiencias está en la base dos diferentes concepciones ontológicas del sistema visual: el modelo ecológico (Gibson) y el modelo mentalista (constructivismo). Es lo que antes decíamos: por la percepción visual o “sensorio” entra el mundo externo (percepción directa), o el mundo externo entre en nuestra mente (mentalismo), o estas dos cosas suceden al mismo tiempo.
El modelo ecológico entiende que el hecho real del “sentir”, de la sensación integrada que llamamos “conciencia” y del sentir a distancia que llamamos “visión”, es un proceso que, en algún sentido que no sabe explicar, abarca un campo físico real. Así, el sentir en general, y la sensación visual en particular, son propiedades de un campo que se constituye en mi cuerpo o en la interacción entre el sistema visual y el mundo exterior. Esto nos explicaría que la visión sea posible cuando el mundo físico real “sale a la luz”.
El modelo mentalista parece más favorecido por una imagen corpuscular del universo. Para el mentalismo la luz es un mensajero que toma del universo físico una información y la trasporta hasta el cerebro donde el sistema visual, con la variedad de datos que le aportan los esforzados fotones que se han trasformado en impulsos neuronales, debe construir finalmente la imagen visual.
Por tanto el modelo ecológico necesita apoyarse en la física de los campos, en cambio, al modelo mentalista le basta la física de un universo discontinuo, quasivacío y métrico, lleno de corpúsculos que recogen información y la transportan a distancias considerables. La lógica de estas explicaciones científicas conduce a una imagen más bien mentalista de la naturaleza de la visión.
ÓPTICA:
En este enfoque consideramos la luz como un enfoque macroscópico y prescindimos de consideraciones referidas en profundidad, por ejemplo, a los efectos electromagnéticos, ondulatorios o corpusculares que puedan producirse.
Al estudio de los fenómenos que se producen en la propagación rectilínea de los rayos de luz en este orden macrofísico lo llamamos Óptica geométrica.
I Fenómenos ópticos naturales
Nuestra experiencia visual ordinaria es la de percepción directa. Vivimos como si en realidad estuviéramos siempre percibiendo directamente un mundo real y tenemos la sensación inequívoca de estar palpándolo directamente sin intermediarios en nuestra imágenes, sonidos tactos y propioceptores.
Las imágenes virtuales se insertan en nuestra experiencia ordinaria de las sensaciones, constituyendo nuestro mundo perceptivo. En ocasiones no aceptamos a advertirlas y las reducimos erróneamente a pura percepción directa. Nuestras imágenes son, una sorprendente mezcla entre realidad con realidad virtual.
1. La proyección del sombreado
Si tenemos una fuente puntual de luz que ilumina un objeto colocado a cierta distancia se forma inmediatamente el fenómeno de la sombra. Si el mismo objeto lo iluminamos mediante dos fuentes puntuales de luz, entonces algunas partes de la sombra seguirán sin ser iluminadas por ningún rayo de luz; es lo que se lama umbra, donde la falta de luz es más fuerte. Otras partes en cambio, serán iluminadas por una sola luz, es la penumbra.
Un fenómeno natural producido por la sombra de la luna sobre la tierra es el eclipse. En el eclipse solar, la luna proyecta su sombra sobre la tierra. En el eclipse lunar es la tierra la que proyecta su sombra sobre la luna.
2. La cámara oscura
Este artificio consiste en una cámara oscura, que puede ser una caja de zapatos o una habitación rectangular, en la que realizamos una pequeña apertura de las dimensiones de una cabeza de alfiler. Si delante de la figura colocamos una figura iluminada sobre un fondo negro veremos
Los metales poseen una propiedad importante común a todos ellos: la existencia de electrones libres, liberados de los átomos individuales, que circulan a través de la masa metálica. Este fenómeno es, como sabemos, la base de la electricidad. Los metales son excelentes reflectores de la radiación en general, el campo electromagnético creado por los electrones libres neutraliza el campo creado por la incidente radiación exterior. El resultado es que el metal es opaco a la radiación y refleja la casi totalidad de la energía de la onda incidente.
La frecuencia de plasma de la plata es un poco mayor de la frecuencia del espectro de luz visible. Por ello, la plata refleja muy bien la radiación visible y se usa, como veremos, para construir espejos.
La estructura de la ionosfera es muy similar en ciertos aspectos a la de los metales. Es transparente a la luz del espectro visible y no obstaculiza nuestra visión del firmamento. Como efecto de la presencia de la luz solar durante el día, la altura de la opacidad de la ionosfera no es la misma durante el día que durante la noche; las capas más opacas son así más altas durante la noche. Esta es la razón de que las ondas medias y cortas de radio puedan reflejarse mejor y a mayores distancias durante la noche.
El espejo es un sencillo instrumento que refleja en mayor o menor grado, de una u otra forma, la luz que a su vez ha sido reflejada antes en otro objeto. Cuando esta luz es recogida por el sistema visual el objeto se ve en el fondo del espejo.
La construcción de un espejo es sencilla. Se utiliza el metal más adecuado para reflejar la luz del espectro visible, la plata o el aluminio. Sobre la finísima capa de metal se coloca una capa de cristal que permite la transmisión de la luz con una reflexión mínima. Para que la luz visible se refleje perfectamente en la capa metálica de plata se necesita que esta presenta un grosor mínimo.
El sencillo artilugio que denominamos espejo nos permite tener la experiencia de percibir nuestra propia imagen en el fondo del espejo en unas dimensiones ligeramente reducidas. Sabemos que los fotones se reflejan en la capa metálica. No hay nada que podamos ver en el fondo del espejo. Por ello, no es posible percibir directamente la imagen allí donde la percibimos. La consecuencia parece obvia: se trata de una percepción irreal que nuestro sistema visual construye a partir de la información de los haces de luz reflejados sobre el espejo.
La ley de la reflexión básica nos dice que el ángulo de incidencia es siempre igual al ángulo de reflexión. El sistema visual, en efecto, está bilógicamente preparado para ver los objetos en la dirección en que se presenta la luz. Sin embargo la luz reflejada en un espejo alcanza el sistema visual después de una reflexión oblicua y desde diferentes ángulos de reflexión.
Esto nos explica en general las muchas ilusiones que se producen en la visión de objetos reflejados en superficies reflectantes, bien se trate de un espejo o de la superficie remansada del agua de un lago.
La visión especular produce, pues, una incuestionable ilusión óptica. El fenómeno de la visión especular no sólo se produce en espejos, sino en todo tipo de superficies naturales que presenten
condiciones físicas apropiadas para reflejar la luz del espectro visible. Un conjunto de espejos pueden rebotar la imagen de uno en otro creando así efectos curiosos, es lo que se conoce como reflexión múltiple.
- Reflexión de la luz en el espacio natural
La luz produce también fenómenos en el espacio natural muy semejantes a los de visión especular. Estas percepciones virtuales explican también ciertas experiencias extrañas.
En superficies rugosas y no uniformes no puede producirse la reflexión especular. Estas superficies rugosas producen lo que llamamos reflexión difusa, que es mucho más importante que la reflexión especular porque nos permite ver normalmente los objetos que constituyen nuestro medio ambiente. En la reflexión difusa la luz se refleja en todas direcciones como efecto de la misma rugosidad de la superficie. Una parte pequeña de esa luz es recogida por el sistema visual y entonces se produce la visión del objeto en la misma dirección del haz de luz y donde el objeto realmente se encuentra.
5. Refracción de la luz
La luz puede ser reflejada, absorbida o transmitida por el nuevo material que atraviesa. Al introducirse en un nuevo medio físico se produce normalmente un cambio en la velocidad de la luz. Pero suele suceder que en el nuevo medio cambia también algo la dirección en que la luz se transmitía. A este fenómeno se le llama refracción. Su explicación física es una consecuencia inmediata del cambio de velocidad de un medio a otro y de la inclinación de los rayos de luz incidentes. Cuando la dirección de penetración en el nuevo medio es paralela a la normal, entonces no se produce refracción alguna. De la misma manera, al pasar de más velocidad a menos la nueva dirección se acerca a la normal; pero si fuera de menos a más, sería obviamente al revés, se alejaría de la normal.
Este es precisamente el contenido de la ley de Snell que nos dice: la luz que pasa de un medio rápido a otro lento se inclina hacia la normal y la luz que pasa de medio lento a rápido se inclina alejándose de la normal. El llamado índice de refracción es una medida que nos da una idea de la refracción de un determinado medio físico al paso de la luz. Por tanto, el índice de refracción es igual a la velocidad de la luz en el vacío dividido por la velocidad de la luz en el medio específico; es decir, n= c/v. Cuanto mayor es la velocidad “v” menor es, por tanto, el valor de “n”. En el vacío c=v, y en consecuencia, el valor de n es 1. Por consiguiente, la ley de Snell puede formularse también por medio del índice de refracción; la luz que cambia de medio desde una “n” pequeña a una “n” mayor se refracta acercándose a la normal y cuando pasa de una “n” mayor a una “n” menor se refracta separándose de la normal.
Pensemos en la situación en que la luz va a entrar en un medio más rápido desde un medio más lento; desde al agua al aire. El rayo de luz saldrá siempre a la superficie con un cierto ángulo de incidencia interno. El ángulo de reflexión de la luz al salir al aire se alejará de la normal. Por ello, para un cierto valor elevado del ángulo interno de incidencia, la luz no saldrá al exterior sino que se reflejara internamente dentro del agua. Este fenómeno, producido por la refracción,
es una disposición hexagonal de la misma figura; una imagen es la imagen real del objeto, otras cinco son las imágenes virtuales.
2. Espejos esféricos
Un espejo esférico se construye igual que uno plano pero con forma esférica. Los espejos esféricos pueden ser de dos clases: convexos y cóncavos.
En el espejo convexo la luz proveniente de todos los puntos del espacio se refleja en él. Parte de esa luz se reflejará hacia un solo punto representado por el sistema visual. El resultado de la prolongación rectilínea de todos los rayos de luz que convergen desde diferentes puntos y con diferentes ángulos dará por resultado la imagen virtual deformada que todos habremos observado en más de una ocasión. Esta es la razón de que algunos coches utilicen espejos convexos con una curvatura poco pronunciada para ampliar el campo de visión de los espejos retrovisores normales sin deformar mucho la imagen.
Regla : rayos de luz que viajan directos hacia el punto focal viajarán en paralelo al eje principal después de ser reflejados.
En este tipo de espejos, la superficie reflectante no es la parte exterior de la esfera, sino la interior. Es como mirar en la parte interior de un cuenco esférico. Cuando el objeto se acerca mucho a un espejo cóncavo ligeramente esférico sucede que le punto focal cae detrás del objeto y entonces la imagen que observamos aparece agrandada y con una deformación mínima. Este tipo de espejos se utiliza también para el aseo persona.
Regla : rayos de luz cruzan el punto focal viajarán en paralelo al eje principal después de ser reflejados.
3. Lentes esféricas
Si observamos una lente desde el exterior vemos que es un elemento óptico construido por vidrio con las caras anterior y posterior talladas en forma esférica convexa o esférica cóncava. La lente no refleja luz sino que la transmite. El efecto de convergencia o divergencia de las lentes convexas o cóncavas, respectivamente,, es consecuencia de la refracción de la luz al atravesar dichas lentes.
- Lentes convexas: producen un efecto de convergencia.
- Lentes cóncavas: producen un efecto de divergencia de la luz.
Si consideramos el caso de lentes esféricas delgadas puede analizarse fácilmente el curso que sigue el rayo de luz hasta formar la imagen correspondiente. La técnica de convergencia-divergencia de luz por medio de lentes se utiliza, como ya sabemos, para construir focos de efectos específicos.
4. Aberraciones en lentes y espejos
