Con anterioridad al siglo XVII se habían hecho algunos estudios sobre la luz. Unos analizaron la luz en relación con el sentido de la vista, otros aplicaron la geometría para investigar las trayectorias de los rayos luminosos en una rama de la física conocida como óptica geométrica, en la que se estudiaban los fenómenos de reflexión y refracción en espejos y lentes. Pero, en el siglo XVII se realizaron investigaciones sobre la naturaleza de la luz, es decir, los científicos trataron de responder a preguntas tales como cuál era el tipo de materia, fluido, energía, efluvio o vibración que partía los cuerpos luminosos o iluminados y llegaba hasta nuestros ojos.
1.- Los experimentos
También es seguro que con anterioridad al siglo XVII se habrían realizado observaciones sobre el comportamiento de la luz que sugerían que los rayos luminosos no se desplazaban exactamente como lo haría una colección de partículas que se propagaran a partir del punto luminoso en línea recta y en todas las direcciones. Pero la primera obra publicada que describía un comportamiento ondulatorio de luz fue la del astrónomo, jesuita y profesor de la universidad de Bolonia, F. Maria Grimaldi (1618-1663), que observó un fenómeno luminoso que llamó difracción (del latín diffringere, romper en pedazos), para referirse al partición de un rayo luminoso en diferentes direcciones.
Los resultados de las observaciones de Grimaldi fueron publicados en un libro póstumo titulado De la luz, de los colores y del arco iris (1665). En la obra describió el siguiente experimento: dejó que la luz del sol penetrara en una habitación oscura través de un pequeño agujero hecho en una cartulina y después hizo pasar ese rayo luminoso a través de otra cartulina perforada. Descubrió que ese rayo de luz proyectaba sobre una pantalla una mancha mayor que la que se podía esperar si la luz fuera rectilínea y estuviera formada por partículas. También observó que los bordes de la sombra que rodeaba al círculo luminoso no estaban nítidamente definidos y que incluso se apreciaban sucesivamente franjas claras y oscuras.
Debemos recordar que la difracción de la luz y la aparición de franjas oscuras y brillantes es característica de las ondas y se produce cuando dos o más ondas se asocian cuando coinciden punto. Las crestas y los valles de las ondas se entrelazan, de manera que al coincidir en un momento dado suman sus efectos y los potencian o se anulan. La difracción de la luz se produce cuando atraviesa rendija estrecha (en el caso de Grimaldi por un pequeño orificio), esto es, cuando la rendija es significativamente más delgada que la longitud de onda.
Con el descubrimiento de Grimaldi comenzaba el enfrentamiento entre la teoría ondulatoria y la corpuscular de la luz.
Por otro lado, en Inglaterra, R. Hooke (1635-1703) y R. Boyle (1627-1691) trabajaron en otra manifestación de la luz como onda: el fenómeno de interferencia, que se manifiesta cuando dos o más ondas se combinan porque coinciden en el mismo lugar del espacio. En la Micrographia (1664) de Hooke no sólo se descubrió el mundo del microcosmos con la descripción de cincuenta observaciones realizadas con su microscopio de treinta aumentos, sino que, además, encontró, un fenómeno de gran importancia: la interferencia de las ondas luminosas, pero, como I, Newton (1653-1727) fue el primero en analizarlo, en 1666 en su casa en Lincolnshire durante el periodo que permaneció retirado en ella cuando apareció la peste, el fenómeno se conoce como anillos de Newton.
Los anillos de Newton son producidos por interferencias cuando dos haces de luz, procedentes de la misma fuente, recorren caminos ópticos diferentes. El patrón de interferencia está causado por la reflexión de la luz entre dos superficies, una curva convexa y la otra plana (en nuestro caso dos lentes). En este fenómeno óptico, se forman una serie de circunferencias de luz concéntricas con centro O, punto de contacto entre las lentes.
Esto se debe a que espacio de anchura variable entre las dos lentes, provoca el reflejo de la luz que entra entre ellas y debido esta reflexión, se forma el patrón luminoso conocido como anillos de Newton. Si se utiliza luz blanca en lugar de luz monocromática, se observan bandas de colores debido a las diferentes longitudes de onda contenidas en la luz blanca.
Los científicos mantenían la creencia de que las ondas requerían medios físicos para propagarse y, que, en el caso de las ondas luminosas, debían permitir su paso incluso en el vacío. De esta manera, las ondas lumínicas tenían que disponer de una medio para propagarse, pero ese medio era invisible y tenía que existir hasta en el vacío, porque en el vacío también se propagaba la luz.
Con toda esta introducción podemos decir que en el último tercio del siglo XVII el mundo científico disponía de datos experimentales como para considerar que la naturaleza de la luz podía ser ondulatoria. No obstante, el posicionamiento de los muchos científicos y filósofos era que su naturaleza era corpuscular.
Destacaremos la defensa de esta posición científica, mantenida por Newton en su Óptica. Básicamente Newton argumenta que los fenómenos ondulatorios observados no se debían a la naturaleza de la luz, sino a las perturbaciones que la misma provocaba en el medio con el que incidía.
Newton, en la Cuestión 28 desde la Óptica atacaba a los que creían que la luz no era más que una presión o una vibración propagada a través de un medio fluido, argumentando que si la luz no fuese más que una presión sin movimiento efectivo no sería capaz de agitar y calentar los cuerpos que la refractan y reflejan.
En la Cuestión 6 aportaba la observación que la luz interactuaba con los cuerpos, calentando con más facilidad a los cuerpos negros que a los de otros colores.
Argumentaba que si fuera una presión propagada casi instantáneamente a todas las distancias sería necesario mantener una fuerza infinita en todo momento y en cada partícula luminosa para poder generar ese movimiento.
Luego aportaba un resultado de teoría de fluidos recogido en la Proposición 41 del Libro II de los Principia para demostrar que si la luz consistiera en una presión o movimiento propagado instantáneamente o en el tiempo, entonces se doblaría hacia las sombras pues la presión o movimiento en un fluido no se podía propagar en línea recta tras un obstáculo que retuviera parte de su movimiento.
En la Cuestión 16 argumenta que si en una habitación oscura se presiona con el dedo uno de los extremos del ojo volviendo la mirada al lado contrario del dedo se verá un círculo de colores como las plumas de la cola de un pavo real. Si el dedo y el ojo permanecen quietos, tales colores se desvanecen en cuestión de un segundo. pero si se mueve el dedo con un movimiento trémulo aparecen de nuevo. Y concluía ¿Acaso esos colores no surgen de semejantes movimientos excitados en el fondo del ojo por la presión y el movimiento del dedo del mismo modo que otras veces son excitados por la luz para provocar la visión
Continúa el argumento anterior en la Cuestión 17 comparando la aparición de los círculos de colores que producía la presión en el ojo con el fenómeno que se aparecía cuando se arrojaba una piedra al agua… las ondas excitadas continúan durante algún tiempo en el lugar que cayó la piedra y se propagan a partir de ahí por la superficie del agua… Asimismo, las vibraciones y temblores producidas en el aire por percusión continúan durante un tiempo moviéndose a partir del lugar de percusión.
De la misma forma un rayo de luz que cae en la superficie de un cuerpo transparente refractando reflejándose, ¿No puede ocurrir que excite en el medio refractante o reflejante ondas vibraciones o temblores que surjan en el punto de incidencia y continúen surgiendo y propagándose del mismo modo que cuando se excita el fondo del ojo por la presión del dedo?
Otros científicos, como Ch. Huygens (1629-1695), pensaron que la luz, si era una onda se debía propagar a través de un medio elástico, que ocuparía todo el espacio y se infiltraría en todos los cuerpos transparentes, incluido el vacío, a este medio lo llamaron éter.
Huygens en su obra Traité de la lumière (1690), elaboró un método geométrico, para describir la propagación de las ondas luminosas con el que explicaba la reflexión, la refracción y los fenómenos observados, partiendo de una hipótesis física (principio de Huygens) que consideraba que cada punto de un frente de ondas era un foco de ondas secundarias que se propagaban en la misma dirección de la perturbación y con la misma velocidad y frecuencia que la de la onda original. La superficie tangente (conocida como envolvente) a todas las ondas secundarias en un determinado instante era el siguiente frente de ondas. Huygens consideraba ondas longitudinales.
El principio de Huygens explicaba comportamientos de la luz que la teoría corpuscular de Newton no podía explicar. La teoría ondulatoria no tuvo aceptación en el siglo XVIII, porque no se hicieron en óptica avances significativos y por el enorme prestigio de Newton. La teoría quedó olvidada hasta la primera mitad del siglo XIX, cuando Thomas Young (1773-1829) solo era capaz de explicar el fenómeno de las interferencias suponiendo que la luz fuese en realidad una onda.