¿Cómo viaja la luz?

La cuestión de cómo viaja la luz a través del espacio es uno de los misterios perennes de la física. En las explicaciones modernas, es un fenómeno ondulatorio que no necesita un medio a través del cual propagarse. Según la teoría cuántica, también se comporta como una colección de partículas en determinadas circunstancias. Sin embargo, para la mayoría de los propósitos macroscópicos, su comportamiento puede describirse tratándolo como una onda y aplicando los principios de la mecánica ondulatoria para describir su movimiento.

A mediados del siglo XIX, el físico escocés James Clerk Maxwell estableció que la luz es una forma de energía electromagnética que viaja en ondas. La cuestión de cómo se las arregla para hacerlo en ausencia de un medio se explica por la naturaleza de las vibraciones electromagnéticas. Cuando una partícula cargada vibra, produce una vibración eléctrica que automáticamente induce una magnética; los físicos a menudo visualizan estas vibraciones ocurriendo en planos perpendiculares. Las oscilaciones emparejadas se propagan hacia afuera desde la fuente; no se requiere ningún medio, excepto el campo electromagnético que impregna el universo, para conducirlos.

Cuando una fuente electromagnética genera luz, la luz viaja hacia afuera como una serie de esferas concéntricas espaciadas de acuerdo con la vibración de la fuente. La luz siempre toma el camino más corto entre un origen y un destino. Una línea trazada desde la fuente hasta el destino, perpendicular a los frentes de onda, se llama rayo. Lejos de la fuente, los frentes de onda esféricos degeneran en una serie de líneas paralelas que se mueven en la dirección del rayo. Su espaciado define la longitud de onda de la luz, y el número de tales líneas que pasan por un punto determinado en una unidad de tiempo determinada define la frecuencia.

La frecuencia con la que vibra una fuente de luz determina la frecuencia y la longitud de onda de la radiación resultante. Esto afecta directamente la energía del paquete de ondas, o ráfaga de ondas que se mueven como una unidad, según una relación establecida por el físico Max Planck a principios del siglo XX. Si la luz es visible, la frecuencia de vibración determina el color. Sin embargo, la velocidad de la luz no se ve afectada por la frecuencia vibratoria. En el vacío, siempre es 299,792 kilómetros por segundo (186, 282 millas por segundo), un valor denotado por la letra "c". Según la teoría de la relatividad de Einstein, nada en el universo viaja más rápido que esto.

La luz viaja más lento en un medio que en el vacío, y la velocidad es proporcional a la densidad del medio. Esta variación de velocidad hace que la luz se doble en la interfaz de dos medios, un fenómeno llamado refracción. El ángulo en el que se dobla depende de las densidades de los dos medios y de la longitud de onda de la luz incidente. Cuando la luz que incide en un medio transparente se compone de frentes de onda de diferentes longitudes de onda, cada frente de onda se dobla en un ángulo diferente y el resultado es un arco iris.