la explicación del azul del cielo

139 Pages·2013·4.52 MB·Spanish

REINALDO WELTI

LA EXPLICACIÓN DEL AZUL DEL CIELO

UNA AVENTURA DEL PENSAMIENTO

Vesperi Refulgens
Editora

Reinaldo Welti

La explicación del azul del cielo
Una aventura del pensamiento
La explicación del azul del cielo
Una aventura del pensamiento

Primera edición: agosto de 2013, Rosario, Argentina

Vesperi Refulgens
Editora
Rosario, Argentina
Índice

Prólogo…………………………………………………………………………….7
1. La luz y los colores. Desde los griegos al renacimiento…………………….11
2. Los colores en el periodo de la revolución científica…………………….…28
3. La teoría ondulatoria de la luz…………………………………………..…..45
4. Los azules de Tyndall y Rayleigh……….…………………………….….….60
5. Los átomos, las fluctuaciones y el cielo azul…………….……………….….78
6. El brillo del cielo y la visión de los colores…….………………………......105
7. Los otros colores del cielo………… ……….…………………………...…..121
Bibliografía………………….……………………………………………….135

Prólogo

Hay en la ciencia preguntas que parecen de una sencillez poco común pero que, sin
embargo, fueron capaces de mantener ocupadas a generaciones de estudiosos. “¿Por
qué el cielo es azul?” es una de ellas. Esta pregunta desconcertó a Platón, a Leonardo y
hasta a Newton, quien pudo dar respuesta a muchos secretos de nuestro universo, pero
no a éste. Pasaron los siglos y la pregunta continuaba sin hallar una respuesta. En 1862,
Herschel, astrónomo y fundador de la espectroscopía, calificaba al color del cielo y a la
polarización de la luz solar como “los dos grandes enigmas permanentes de la
meteorología”. Recién a partir del año 1871, Rayleigh, siguiendo una sugerencia de
Maxwell, comenzó a resolver el enigma calculando la dispersión de la luz solar
producida por las propias moléculas del aire. Esta idea era temeraria para la época,
puesto que la existencia de los átomos y moléculas fue reconocida por la comunidad
científica sólo después de los trabajos teóricos de Einstein en 1905 y de los trabajos
experimentales de Perrin en 1909. La pretensión de explicar el azul del cielo conduce a
una búsqueda hacia el interior de la materia, pues el cielo no podría ser azul si los
átomos no fueran algo real.
Mi intención es que el contenido de este libro sea accesible para todos. A pesar de esto,
hay ciertas secciones que pueden presentar alguna dificultad, en particular el capítulo 5,
en el que se hace una breve introducción a la teoría de las fluctuaciones. Tomé la
decisión de incluirla pues a través de la misma se pueden dilucidar, el movimiento
browniano, la existencia de los átomos y la dispersión transversal de la luz del Sol por la
atmósfera, que origina el color azul. Einstein, utilizando sus conocimientos de la
matemática de las fluctuaciones, explicó teóricamente el movimiento browniano; el
empeño por confirmar esta deducción, llevó a Perrin a realizar los experimentos que
permitieron comprobar la existencia de los átomos. Para la explicación del color del
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cielo, la fluctuación del número de moléculas contenidas en un volumen de la atmósfera
juega un papel decisivo. Por otra parte, las mediciones de la transmisión de la luz a
través de la atmósfera aportaron, al igual que el movimiento browniano, una de las
pruebas decisivas de la existencia de los átomos y de la validez de la teoría cinética de
los gases.
Iniciamos la aventura de la explicación del color del cielo con los intentos de los griegos
para comprender la luz y los colores y concluimos comentando la justificación teórica
de la opalescencia crítica que asume – recién a mediados del siglo XX - un punto de
vista molecular.
El objetivo de este trabajo es exponer, no solo la historia que está detrás de los intentos
para explicar el color del cielo y mostrar la sutileza de los fenómenos físicos
involucrados sino, además, destacar algunos aspectos de la evolución de los conceptos
básicos de la física relacionados con la naturaleza de la luz. En particular, la descripción
contrapuesta de la refracción de la luz por parte de la teoría corpuscular de Descartes-
Newton y de la teoría ondulatoria de Huygens y la importancia del experimento de
Foucault que resuelve esta contradicción. Asimismo, examinamos la formulación de
Young del principio de interferencia para la luz, que permite medir la longitud de onda
de la luz mediante el experimento de la interferencia por dos ranuras y registrar los
resultados del experimento conocido como los anillos de Newton. Subrayamos también
el planteo de Fresnel acerca de la difracción de la luz, sustentado en las teorías de
Huygens y Young, así como el fenómeno de la doble refracción a través del cristal de
Islandia que obligó a cambiar el modelo ondulatorio fundado en las ondas sonoras
longitudinales por otro que admitía que la luz era una onda transversal. Se analiza
además, la teoría electromagnética de Maxwell, en la que se sugiere que la luz es una
onda electromagnética con sus campos eléctricos y magnéticos perpendiculares a la
dirección de propagación y el aparente triunfo de la teoría ondulatoria de la luz sobre la
corpuscular, apoyada en los experimentos de Foucault y en la teoría electromagnética.
Por último, se observa el resurgimiento, a comienzos del siglo XX, del problema de
optar entre corpúsculos y ondas, esta vez, sin embargo, de una manera más intrincada y
profunda.
Si bien la respuesta habitual a la pregunta “¿por qué el cielo es azul?” se basa casi
únicamente en la dispersión de la luz por las moléculas de la atmósfera, haciendo sólo
una mínima mención a la contribución de la teoría del color, en este libro intentamos
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realizar un análisis más detallado de la visión de los colores pues ésta juega un papel
importantísimo en la percepción del color del cielo.
Mi vinculación con el Instituto de Estudios Superiores “Olga Cossettini” de Rosario, me
ha dado la oportunidad, desde hace varios años, de llevar a cabo un curso regular para
profesores de física que incluye, además de las teorías sobre la luz, la interacción de la
radiación con la materia. La evolución conceptual de estos temas, que se mezcla con la
historia de la explicación del color del cielo, permite a los alumnos utilizar las ideas
adquiridas en el curso para terminar de desarrollar los argumentos que en este libro solo
se esbozan. Esto les permite, involucrarse en la evolución de las teorías que posibilitan
explicar el color del cielo, obtener confianza en su capacidad para hacer uso de los
conocimientos adquiridos y emprender otras actividades de investigación. Espero,
también, que otros lectores encuentren en este libro estímulos para querer conocer un
poco más acerca de esta bella ciencia que es la física.
Finalmente, quiero hacer una mención especial al libro de Peter Pesic, El cielo en una
botella, de la editorial Gedisa, edición 2007, en el que se exponen interesantes
observaciones sobre la luz, el color, la visión y la atmósfera, además de intentar dar una
respuesta a la pregunta de por qué el cielo es azul. Según creo, esta obra de Pesic es la
única, hasta ahora, que trata el tema en español. Su lectura fue uno de los motivos que
me llevó a escribir el presente libro; el otro motivo fue, como mencioné más arriba, la
construcción de un relato que acompañara mi curso de ondas y óptica.

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