Historia de la óptica

Historia de la óptica

El campo de la óptica ha sido parte de las preocupaciones del ser humano desde tiempos antiguos. Los primeros intentos de lentes conocidos datan del antiguo Egipto o la antigua Mesopotamia, como el lente de Nirmud (700 a. C.) fabricado en Asiria.

Los antiguos griegos también se preocuparon por entender la naturaleza de la luz, que comprendían en base a dos perspectivas: su recepción o visión y su emisión, ya que los antiguos griegos pensaban que los objetos emitían copias de sí mismos mediante la luz (llamadas eidola). Filósofos como Deócrito, Epicuro, Platón y Aristóteles estudiaron profusamente la óptica.

Al relevo de estos estudiosos lo constituyeron los alquimistas y científicos islámicos durante la época medieval europea, como Al-Kindi (c. 801-873) y en especial Abu Ali-al-Hasan o Alhazén (965-1040), considerado el padre de la óptica por su Libro de óptica (siglo XI), donde explora los fenómenos de la refracción y reflexión.

El Renacimiento europeo llevó ese conocimiento a Occidente, en especial gracias a Roberto Grosseteste y Roger Bacon. Los primeros anteojos prácticos se fabricaron en Italia alrededor de 1286, este fue el comienzo de la industria óptica del pulido de lentes que comenzó en Venecia y Florencia en el siglo xiii, y tiempo despues los centros de fabricación de gafas en los Países Bajos y Alemania, en esa época los fabricantes de gafas crearon tipos mejorados de lentes para la corrección de la visión, basados más en el conocimiento empírico obtenido al observar los efectos de las lentes que en utilizar la rudimentaria teoría óptica de la época . El desarrollo y la experimentación con lentes condujo directamente a la invención del microscopio óptico compuesto alrededor de 1595 y del telescopio refractor en 1608. Ambos aparecieron en los centros de fabricación de gafas en los Países Bajos.

La teoría óptica progresó a mediados del siglo xvii con los tratados escritos por el filósofo René Descartes, en los que explicaba una gran variedad de fenómenos ópticos, incluyendo la reflexión y la refracción al asumir que la luz era emitida por los objetos que la producían. Cerca de  1600, Galileo Galilei dirigió su telescopio hacia el firmamento, dando origen a la astronomía moderna, que podía servirse de instrumentos de aumento para ver los detalles de los cuerpos celestes. Siguiendo su estela, a principios del siglo XVII Kepler amplió la óptica geométrica en sus escritos, cubriendo las lentes, los reflejos de espejos planos y curvos, los principios de la cámara estenopeica, las leyes de los cuadrados inversos que rigen la intensidad de la luz y las explicaciones ópticas de fenómenos astronómicos como los eclipses lunares y solares y el paralaje astronómico.

A fines de la década de 1660 y principios de la de 1670, Newton expandió las ideas de Descartes en una teoría corpuscular de la luz, y determinó que la luz blanca era una mezcla de colores que se puede separar en sus partes componentes con un prisma. En 1690, Huygens propuso una explicación ondulatoria para la luz, basándose en las sugerencias que había hecho Robert Hooke en 1664. El propio Hooke criticó públicamente las teorías de la luz de Newton y la disputa entre los dos duró hasta la muerte de Hooke. En 1704, Newton publicó Opticks y, en ese momento, en parte debido a su éxito en otras áreas de la física, generalmente se le consideraba el vencedor en el debate sobre la naturaleza de la luz. 

En esa época  los instrumentos ópticos empezaron a tener grandes mejoras, que permitieron a la ciencia adentrarse en campos hasta entonces inaccesibles, desde lo muy pequeño como los microscopio que permitio el descubrimiento de los microbios hasta lo muy grande que permitio un conocimiento mayor del sistema solar.  Los avances en la fabricación de lentes permitieron a su vez el desarrollo de los instrumentos utilizados en geodesia, permitiendo completar con una precisión hasta entonces impensable la medición del arco de meridiano de París en 1798, lo que permitiría establecer la unidad de longitud del sistema internacional: el metro.

La óptica newtoniana fue generalmente aceptada hasta principios del siglo xix, cuando Thomas Young y Augustin Fresnel llevaron a cabo experimentos sobre la interferencia de la luz, que establecieron firmemente su naturaleza ondulatoria. Este trabajo condujo a una teoría de la difracción de la luz y abrió un área completa de estudio en la óptica física. La óptica ondulatoria​ se unificó con éxito con el electromagnetismo gracias a James Clerk Maxwell en los años 1860. La aparente confirmación de la naturaleza ondulatoria de la luz debido a su carácter de radiación electromagnética, llevó a un callejón sin salida, generando un intenso debate a lo largo de medio siglo acerca de la existencia del éter, un medio hipotético que se consideraba imprescindible para posibilitar la propagación de las ondas de luz. Se realizaron sin éxito numerosos experimentos para demostrar su existencia (como el famoso experimento de Michelson y Morley de 1887), y no sería hasta 1905 cuando Albert Einstein, con su Teoría de la relatividad especial, estableció el papel clave de la velocidad de la luz como una de las constantes fundamentales de la naturaleza, resolviendo de una vez por todas la cuestión del éter, descartando definitivamente su existencia.

El siguiente desarrollo en la teoría óptica llegó en 1899, cuando Max Planck modeló correctamente la radiación del cuerpo negro, al asumir que el intercambio de energía entre la luz y la materia solo ocurría en cantidades discretas que denominó cuantos.​ En 1905 Albert Einstein publicó la teoría del efecto fotoeléctrico que estableció firmemente la cuantificación de la luz en sí misma.​ En 1913 Niels Bohr demostró que los átomos solo podían emitir cantidades discretas de energía, lo que explica las líneas discretas observadas en los espectros de emisión y de absorción. Durante la segunda mitad del siglo XIX hubo una serie de descubrimientos que sentarían las bases del desarrollo de instrumentos ópticos a lo largo del siglo XX. En el campo de los telescopios, la posibilidad de depositar una película de aluminio sobre una base de vidrio, decantó de forma ya definitiva la carrera entre los dos tipos de telescopios, decidiéndose a favor de los de espejos, que han seguido aumentando de tamaño sin cesar desde entonces. Así mismo, se descubrió la base de la fotografía con los trabajos de Niépce, que a su vez propiciaría la aparición del cine unas décadas después. Otro invento de finales del siglo XIX, el tubo de rayos catódicos, permitiría desarrollar unos años después las pantallas de televisión. En este período también vio la luz otro tipo de instrumento científico, el interferómetro, que sirvió para dar un inesperado soporte a la teoría de la relatividad y que con el paso del tiempo ha pasado a formar parte de equipos de medición de altísima precisión, como el LIGO, que ha permitido confirmar la existencia de ondas gravitatorias a comienzos del siglo XXI.

La comprensión de la interacción entre la luz y la materia que siguió a estos desarrollos no solo formó la base de la óptica cuántica, sino que también fue crucial para el desarrollo de la mecánica cuántica en su conjunto. La última culminación, la teoría electrodinámica cuántica, explica todos los procesos ópticos y electromagnéticos en general como resultado del intercambio de partículas reales y de fotones virtuales.