Hoy creemos que todas las partículas, desde los quarks masivos hasta los fotones sin masa, tienen una naturaleza de doble partícula / onda. Hace cientos de años, las personas consideraban solo partículas. Pero en 1818, las olas estaban destinadas a hacer un retorno triunfal sobre la base de estudios sobre la naturaleza de la luz.Todos amamos nuestras ideas más valiosas sobre la estructura del mundo y el universo. Nuestro concepto de realidad a menudo está inextricablemente vinculado con nuestra propia imagen. Pero ser científico significa estar listo para cuestionar todas estas ideas en cada prueba. Una sola observación, medición o experimento que contradiga la teoría es suficiente para reconsiderar o abandonar por completo nuestra comprensión de la realidad. Si podemos reproducir esta prueba científica y demostrar de manera convincente que no coincide con la teoría vigente, estamos sentando las bases de la revolución científica. Pero si alguien no quiere someter la teoría o las suposiciones a controles, puede estar cometiendo el mayor error en la historia de la física.
Los principios matemáticos de la filosofía natural (lat. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) por Isaac Newton, tercera edición, 1726. Los tratados de Newton sobre temas como la mecánica, la gravedad y la luz se convirtieron en la base de gran parte de la física moderna.La naturaleza humana requiere héroes: personas a quienes seguimos, a quienes admiramos, a quienes nos esforzamos por llegar a ser. El mayor héroe de la física durante muchos siglos fue Isaac Newton. Newton fue un pilar de los logros científicos de la humanidad. Su teoría de la gravitación universal describió maravillosamente todo, desde el movimiento de cometas, planetas y lunas hasta antes de que los objetos caigan a la Tierra. Su descripción del movimiento de los objetos, incluidas las leyes del movimiento y la influencia de las fuerzas y aceleraciones sobre ellos, sigue siendo cierta en casi cualquier entorno, incluso hoy. Discutir con Newton era estúpido.
Por lo tanto, a principios del siglo XIX, el joven científico francés
Augustin Jean Fresnel tuvo que comprender que se embarcaba en una aventura.
El comportamiento de la luz blanca que pasa a través de un prisma demuestra cómo en una luz media de diferentes energías se mueve a diferentes velocidades, a diferencia del vacío. Newton fue el primero en explicar la reflexión, la refracción, la absorción y la transmisión de la luz, así como la capacidad de la luz blanca para dividirse en varios colores.Aunque hoy es menos conocido que sus méritos en mecánica o gravedad, Newton también fue uno de los primeros científicos en explicar cómo funciona la luz. Explicó la reflexión, la refracción, la absorción y la transmisión de la luz, así como también cómo el color blanco consiste en diferentes colores. Al moverse del aire al agua y viceversa, los rayos de luz se doblan y aparece un componente reflejado en cada superficie, y un componente que ha pasado.
Su teoría corpuscular de la luz se basaba en partículas, y la idea de que un rayo es luz era consistente con una amplia gama de experimentos. Aunque en la época de Newton había una teoría ondulatoria de la luz, presentada por
Christian Huygens , no pudo explicar los experimentos con prismas. Como resultado, Newton Opticks se convirtió en el ganador, al igual que su mecánica con la gravedad.
Las propiedades de onda de la luz comenzaron a entenderse aún mejor gracias a los experimentos de dos rendijas de Thomas Young , donde la interferencia constructiva y destructiva se manifestaba claramente. Estos experimentos para ondas clásicas se conocen desde el siglo XVII; en el siglo XIX, Jung demostró que se aplican a la luz.Sin embargo, a principios del siglo XIX, comenzó a experimentar dificultades. Thomas Jung realizó un experimento ahora clásico en el que la luz pasó a través de una rendija doble: dos ranuras estrechas ubicadas a poca distancia entre sí. Y la luz, en lugar de comportarse como un corpúsculo y pasar a través de una rendija u otra, mostró un patrón de interferencia: una secuencia de rayas claras y oscuras.
Además, el patrón de las bandas se determinó mediante dos parámetros de experimento ajustables: la distancia entre las rendijas y el color de la luz. Si el color rojo correspondía a la luz de onda larga, y el azul correspondía a la luz de onda corta, entonces la luz se comportaba exactamente como cabría esperar de una onda. El experimento de Jung solo tenía sentido si la naturaleza de la luz se agitaba fundamentalmente.
En un experimento de dos espacios con luz, aparecen patrones de interferencia, como en cualquier onda. Se han estudiado las propiedades de diferentes colores de luz debido a la diferencia en sus longitudes de onda.Pero al mismo tiempo, los éxitos de Newton no podían ser ignorados. La naturaleza de la luz se ha convertido en un tema controvertido entre los científicos a principios del siglo XIX. En 1818, la
Academia de Ciencias de Francia anunció un concurso para explicar la naturaleza de la luz. ¿Es una ola o una partícula? ¿Cómo probarlo y cómo confirmarlo?
Augustin Jean Fresnel participó en la competencia, a pesar de que era un ingeniero civil por educación, y no un físico o matemático. Formuló una nueva teoría de la luz, que fue increíblemente feliz, basada principalmente en el trabajo de Huygens del siglo XVII y los experimentos recientes de Jung. Todo estaba listo para cometer el mayor error de la física.
La iluminación mediante una luz coherente (por ejemplo, desde un láser) de un objeto esférico opaco es una de las formas más claras de verificar la onda, en lugar de la naturaleza corpuscular, de la luz.Después de presentar su trabajo, uno de los jueces, el famoso físico y matemático
Simeon Denis Poisson , estudió la teoría de Fresnel con mucho cuidado. Si la luz fuera una partícula, como Newton describió, simplemente se movería en línea recta en el espacio. Pero si la luz fuera una onda, participaría en interferencia y difracción cuando se topara con un obstáculo, un espacio o una cara de la superficie. Las diferentes configuraciones geométricas pueden dar diferentes patrones, pero la imagen general se conserva.
Poisson imaginó la luz de un solo color: una longitud de onda en la teoría de Fresnel. Imagine que tal luz tiene la forma de un cono y se encuentra con un objeto esférico. Según la teoría de Newton, la sombra debería girar, rodeada de luz. Según la teoría de Fresnel, como demostró Poisson, debería haber un punto brillante en el centro de la sombra. Esta predicción, como concluyó Poisson, era obviamente absurda.
Una predicción teórica de cómo debería verse el patrón de onda de la luz alrededor de un objeto esférico opaco. El punto brillante en el centro era absurdo, lo que obligó a muchos a abandonar la teoría de las olas.Poisson intentó refutar la teoría de Fresnel, mostrando que lleva a conclusiones falsas: evidencia de lo contrario. Poisson quería derivar una predicción de la teoría de la onda de luz, lo que tendría una consecuencia obviamente absurda, lo que demostraría su falsedad. Si la predicción era absurda, entonces la teoría de la onda debe ser falsa. Newton tenía razón, Fresnel estaba equivocado, el caso estaba cerrado.
Sin embargo, este es el mayor error en la historia de la física. Es imposible sacar conclusiones, sin importar cuán obvias parezcan, sin realizar un experimento decisivo. La física no se realiza sobre la base de la elegancia, la belleza, la simplicidad de la evidencia o el argumento. Se establece mediante solicitudes a la naturaleza misma y, por lo tanto, realizando experimentos relevantes.
Un modelo de experimento en el que Arago descubrió un punto brillante. A veces, este lugar se llama el lugar de Poisson , pero debe ser glorificado durante siglos, como el lugar de Arago, señalando sus esfuerzos que llevaron a un experimento real.Afortunadamente para Fresnel y la ciencia, el jefe del panel de jueces no quedó impresionado por los argumentos de Poisson.
Francois Arago , quien más tarde se hizo famoso como político, abolicionista y primer ministro de Francia, se levantó para defender no solo Fresnel, sino todo el proceso de investigación científica, realizó un experimento decisivo por su cuenta. Hizo un obstáculo esférico y brilló sobre él con luz monocromática, comprobando la predicción de la teoría de las ondas sobre la interferencia constructiva. Y justo en el centro de la sombra, era fácil distinguir un punto brillante de luz. Aunque la predicción de la teoría de Fresnel parecía absurda, la evidencia experimental estaba lista para confirmarla. Absurdo, o no absurdo: la naturaleza ha hablado.
El resultado de un experimento con luz láser que fluye alrededor de un objeto esférico y datos ópticos reales.Un gran error de un físico puede ser que decide que sabe la respuesta de antemano. Sería un error aún mayor suponer que el experimento no es necesario, porque su intuición le dirá lo que sucede en la naturaleza y lo que no sucede. Pero la física no siempre es una ciencia intuitiva, y por esta razón siempre debemos recurrir a experimentos, observaciones y pruebas medibles de nuestras teorías.
Sin ese enfoque, nunca refutaríamos la visión de la naturaleza de Aristóteles. No habríamos descubierto la teoría especial de la relatividad, la mecánica cuántica o la teoría actual de la gravedad: la teoría general de la relatividad de Einstein. Y probablemente nunca habríamos descubierto la naturaleza ondulatoria de la luz.
Animación esquemática de un haz de luz constante dividido por un prisma. Esa luz es una onda que coincide y es una explicación más profunda del hecho de que la luz blanca se puede dividir en diferentes colores.Han pasado 200 años desde el momento del mayor error en la historia de la física. Y el hecho de que este error prácticamente no tuvo efecto en nada sucedió solo debido a la secuencia científica de François Arago, quien no temía defender el principio científico más importante. Debemos responder preguntas sobre el universo sometiéndolo a pruebas. Después de todo, fue el mismo Newton en su Opticks quien escribió:
Mi objetivo para este libro no es explicar las propiedades de la luz con supuestos, sino sugerirlos y probarlos sobre la base de la razón y la experimentación.
Sin experimentos, ninguna ciencia tendrá éxito. La suposición de que podemos ver la predicción y declararla absurda es nuestro mayor inconveniente como humanos. La naturaleza puede o no ser absurda; no depende de si es correcto o no. Para hacer todo bien, debe realizar un experimento. Sin esto, no estás involucrado en la ciencia.
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