La luz

En la naturaleza y en el laboratorio

Ana María Cetto

• Éditeur: Fondo de Cultura Económica
• Année: 2019
• ISBN:
  9786071649379
• Sujet: Sciences physiques
• Sous-sujet: Optique et lumière

La óptica es una de las ramas de la física que mayor aplicación práctica tiene en la vida diaria del hombre y en esta obra se conjugan la explicación técnica de los conceptos científicos -las ondas electromagnéticas o la naturaleza dual de la luz, por ejemplo-, y las relaciones que presentan con los fenómenos ópticos de los que somos testigos, como la formación del arco iris o el color de las estrellas. Asimismo, Ana María Cetto narra la evolución de la óptica a través del devenir histórico, desde su fundamentación en la Edad Media, hasta las repercusiones en la vida diaria de la tecnología de la luz, como la que se encuentra en la radiografía de un hueso o la que explica la estructura del universo.

II. De colores y otras cosas

LOS COLORES

Hasta el momento todas nuestras reflexiones sobre la luz han sido en blanco y negro. Ahora nos toca introducir el color, ese otro gran ingrediente de la luz que contribuye a la riqueza visual de la naturaleza.

Empecemos por anotar algunas observaciones generales sobre el color. En primer lugar observamos que la luz siempre lleva asociado algún color, o una combinación de ellos; esto nos sugiere que el color ha de estar relacionado con alguna propiedad física de la luz. En ocasiones el color de la luz es difícil de definir a simple vista, pero, como se verá después, hay formas de determinar con bastante precisión qué proporción de cada color está contenida en cualquier tipo de luz.

Otra observación es que dos factores contribuyen al color de los objetos: estos mismos y la luz que los ilumina. Por ejemplo, una hoja de papel blanco es blanca cuando está iluminada por la luz del Sol, pero se ve roja cuando se la ilumina con luz roja. Seguramente le ha sucedido que compra usted un objeto de determinado color, escogido bajo la iluminación artificial de la tienda, y al salir de ella descubre bajo la luz del sol que ése no era el color que usted buscaba. ¿Cuál es, entonces, el origen del color, y cuál es el color de las cosas? Vayamos por pasos.

La luz emitida por un foco o fuente de luz tiene un color que depende de la fuente: del material que la constituye, del mecanismo de emisión y de condiciones físicas, como la temperatura de la fuente. Por ejemplo, cuando la fuente es un filamento incandescente, como el de los antiguos focos domésticos, la luz es esencialmente blanca, en ocasiones con un matiz amarillento o rojizo. Las lámparas fluorescentes, en cambio, emiten una luz que parece más fría, porque contiene más luz azul. Otras fuentes son el Sol y las estrellas, una flama de gas, una lámpara de vapor de mercurio, un diodo luminoso o led, una resistencia eléctrica que se ha calentado al rojo vivo, un láser…, y cada una de estas fuentes emite luz de un color característico.

Ahora supongamos que tenemos una fuente emisora de luz monocromática, o sea luz de un solo color. No es fácil fabricar un emisor de luz monocromática, pero en su defecto se puede usar una fuente común, de luz más o menos blanca, y cubrirla con un vidrio de un color puro, por ejemplo rojo. Este vidrio actúa como un filtro que deja pasar sólo la luz roja. Algunos objetos iluminados por esta luz se verán más claros que otros, pero todos se verán rojos y de ningún otro color. Esto nos indica que los objetos no cambian el color de la luz roja que les llega; sólo afectan su intensidad, su brillo.

Las superficies que parecen más claras son las que reflejan mayor cantidad de luz roja y absorben menos. Los materiales más transparentes son los que dejan pasar una mayor cantidad de luz roja sin absorberla. Los objetos más oscuros son los que más la absorben. En la figura II.1 (a) se muestra una fotografía que fue tomada con este tipo de luz.

Si ahora se reemplaza el filtro de luz roja con uno de luz verde, el cuadro cambia: algunos objetos que antes se veían claros se verán oscuros y a la inversa, como se ilustra en la figura II.1 (b). Esto indica que algunas superficies reflejan mejor la luz verde que la roja o a la inversa. Así también hay objetos que son transparentes a la luz roja, pero no a la verde, o a la inversa.

Ahora empléense simultáneamente tres lámparas que emitan luz roja, luz verde y luz azul, en proporciones adecuadas de intensidad: los objetos parecen haber recuperado su color “normal”, como se aprecia en la figura II.1 (c). Las diversas superficies reflejan una proporción diferente de cada uno de los colores. Las superficies blancas son las que reflejan todos los colores; las negras no reflejan ninguno, porque lo absorben todo. Cuando un material transparente es incoloro es porque deja pasar todos los colores por igual, sin reflejar o absorber ninguno en particular.

Aquí observamos otro detalle interesante: que cuando el rojo, el verde y el azul se suman en proporciones adecuadas, el resultado es blanco. Por ello a estos tres colores se les llama primarios.

Cuando se superponen luces de varios colores se produce luz de un solo color que es la suma de los componentes. Por ejemplo, combinando proporciones adecuadas de luz roja y luz verde se obtiene luz amarilla; el amarillo es entonces la suma de rojo y verde. De acuerdo con lo que se explicó en el párrafo anterior, esto quiere decir que si a la luz blanca —que es la suma de los tres colores primarios— le restamos luz azul (por ejemplo, interponiendo un filtro que absorba la luz azul), obtendremos luz amarilla (véase la figura II.2).

FIGURA II.1. a) Iluminación con luz roja. b) La misma escena, iluminada con luz verde. c) La misma escena, iluminada simultáneamente con los tres colores primarios (luz normal).

La televisión a colores es un buen ejemplo de los sorprendentes resultados que se obtienen mediante la adición de colores primarios. La pantalla del televisor está cubierta de una multitud de tríadas de diminutos puntos fluorescentes de colores rojo, verde y azul. Cada una de estas tríadas forma lo que se llama un píxel (del inglés, picture element). Para desplegar una imagen a colores, el televisor debe recibir simultáneamente tres señales separadas correspondientes a los tres colores básicos. Dependiendo del color que se requiere reproducir, cada uno de los puntos luminosos se activa en mayor o menor grado. A simple vista sólo vemos los colores finales que se obtienen de la fusión de los tres primarios, pero si nos acercamos a la pantalla con una lente de aumento alcanzamos a ver los colores separados, que brillan con diferentes intensidades (véase la figura II.3).

FIGURA II.2. Suma de luces de los tres colores primarios. En este caso los colores primarios empleados son rojo, verde y azul.

Algo muy distinto ocurre cuando se mezclan los pigmentos de los que están hechas las pinturas: en este caso los colores se restan unos a otros. Por ejemplo, como bien sabemos desde pequeños, mezclando azul y amarillo se obtiene verde. Si a este color se le agrega pintura roja, se obtiene un color pardo, casi negro. Una mezcla de tres colorantes básicos se puede usar para producir el matiz que se desee; sólo es preciso saber qué proporción usar de cada color.

FIGURA II.3. Un fragmento de pantalla de televisión. Nótese que la diversidad de colores es producto de la adición de los tres colores básicos con diferentes intensidades relativas.

Si usted examina con una lente de aumento suficientemente potente alguna impresión a color, observará que también está hecha de una multitud de diminutos puntos de unos cuantos colores. Para hacer una impresión a colores basta emplear sólo tres tintas, las de los colores primarios. Para la reproducción de colores en las imprentas o mediante una impresora doméstica, suelen usarse como colorantes primarios el magenta (color rojo parecido al de la flor de bugambilia), el amarillo y el cian (azul que recuerda las aguas caribeñas). Para un resultado más fino se agrega una cuarta tinta, la negra, que permite realzar contornos y aumentar contrastes (véase la figura II.4). En cambio, los pintores puntillistas del siglo pasado llenaban sus cuadros con miles de puntos empleando toda la paleta de colores, para producir una variedad de tonos que dan una sensación de sutileza y luminosidad cuando se les mira desde cierta distancia.

Ya que hablamos de la apariencia de los objetos, cabe detenernos a analizar por qué los metales tienen esa apariencia tan característica que los distingue de otros objetos. Una superficie metálica lisa o bien pulida refleja la luz de manera especular; de hecho, los espejos más comunes consisten de una delgada capa metálica cubierta por una placa de vidrio para su protección. Pero el brillo característico que nos permite reconocer los metales no depende de lo bien pulida que se encuentre la superficie (con tal de que esté limpia), sino del hecho de que la reflexión de la luz es selectiva y se efectúa en la capa exterior de la superficie. Es decir, la superficie del metal refleja unos colores con más eficiencia que otros, y toda la luz que incide sobre el metal sufre el mismo proceso de selección.

FIGURA II.4. Sustracción de tres colores primarios por superposición. En este caso los colores primarios empleados son magenta, amarillo y cian.

Las superficies no metálicas, en cambio, tienen una capa exterior que refleja todos los colores en la misma proporción. Cuanto más mate es una superficie, menos refleja los colores. La luz no reflejada penetra a través de esta primera capa, hasta que es absorbida o reflejada por capas interiores de la superficie que sí son selectivas; son éstas las que dan color a la superficie del objeto. De las propiedades específicas de estas diversas capas depende la textura de la superficie y su respuesta a las diferentes iluminaciones. Por ejemplo, si debajo de una capa superior mate hay una capa de colorante transparente (como la tinta o la acuarela, por ejemplo), filtrará la luz que la atraviese. Si el soporte mismo de la superficie también es coloreado, contribuirá con una reflexión selectiva, y así sucesivamente. En manos de artistas, las posibilidades son infinitas.

EL ARCO IRIS

Todos hemos visto los colores puros del espectro en los bordes biselados de un espejo de vidrio, en los surcos de un disco compacto, o en el arco iris que se forma en el cielo cuando el sol ilumina las gotas de lluvia. Seguramente también ha oído usted acerca de los famosos experimentos que hizo Newton con prismas, y quizá hasta ha reproducido alguno de estos experimentos en clase. Recordemos de qué se trata.

Cuando un haz de luz blanca incide sobre un prisma de vidrio (o de otro material transparente), éste refracta la luz dos veces: al entrar en el prisma y al salir de él. Pero lo hace de una manera curiosa: descomponiéndola en todos los colores del espectro (figura II.5). En otras palabras, el prisma dispersa la luz en forma de abanico, separándola en cada uno de sus colores. La componente roja es siempre la que menos se quiebra y la violeta es la que sufre una mayor refracción.

FIGURA II.5. Un haz de luz blanca es dispers...