Definición de Óptica

Óptica - Su Significado, Definición, Concepto e Importancia

Definición de: Óptica y su Importancia

La óptica es la rama de la física encargada del estudio del comportamiento y propiedades de la luz. La óptica usualmente describe el comportamiento de la luz ultravioleta, visible e infrarroja, y dado que la luz en sí misma es una onda electromagnética, la óptica también puede estudiar los rayos X, las microondas y las ondas de radio, al exhibir todas estas propiedades similares a las de la luz.

El estudio de la óptica se inició hace ya un par de milenios, con el desarrollo de los primeros lentes en el Antiguo Egipto y Mesopotamia. Los romanos y los griegos, entre los múltiples avances que consiguieron en la ciencia, también fabricaron sus propios lentes hechos con esferas de cristal rellenas de agua. Estos desarrollos prácticos fueron acompañados por el desarrollo de teorías de la luz y la visión propuestos por los antiguos filósofos griegos e indios. En este desarrollo, Platón, Euclides y Ptolomeo jugaron un papel fundamental, con bases que más tarde serían retomadas y profundizadas por los musulmanes en la Edad Media.
Durante casi toda la Edad Media, los avances en el campo fueron producidos por personas como Al-Kindi y el matemático persa Ibn Sahl, que describió correctamente una ley de refracción que permitía calcular la forma óptima de lentes y espejos curvados.
En el siglo XVII, Johannes Kepler expandió aún más el conocimiento ya existente de óptica, escribiendo sobre lentes, la reflexión por espejos planos y curvos, la ley que gobierna la intensidad de la luz y las explicaciones ópticas de fenómenos astronómicos como los eclipses lunares y solares. Además, dedujo correctamente el papel de la retina como el órgano que graba las imágenes y, cuando se inventó el telescopio, escribió las bases teóricas de su funcionamiento y describió un nuevo modelo basado en dos lentes convexos, capaz de generar una mejor imagen.
Posteriormente, la óptica fue acercándose cada vez más a su forma actual por personajes como Newton, Descartes y, mucho después, Max Planck.

Concepto de: Óptica y Qué es

La óptica es la rama de la física que analiza las características y las propiedades de la luz, estudiando cómo se comporta y se manifiesta.
La reflexión (la modificación que se produce en el rumbo de un rayo en la superficie que separa a dos medios, lo que hace que vuelva al punto de partida), la refracción (la alteración de dirección cuando el rayo deja un medio y pasa a otro) y la difracción (la curva aparente y la separación de la luz cuando ésta se topa con alguna barrera) son algunos de los fenómenos estudiados por la óptica.
La visión
Óptica también hace referencia a todo lo que está vinculado a la visión. Una óptica puede ser una tienda dedicada a vender productos como anteojos, sean de aumento o de sol, o una persona que cuenta con un título que lo habilita para desempeñarse en este sector. La óptica es, por otra parte, la técnica para fabricar lentes y otros dispositivos que permiten que la gente con afecciones tales como el astigmatismo o la miopía vea mejor.
El mundo del consumo está organizado en torno a personas que cuentan con todos sus sentidos activos. Desde el mercado de los electrodomésticos, donde el televisor es uno de los productos más populares y donde más se enfocan las compañías a la hora de hacer publicidad, hasta las tendencias del entretenimiento, para formar parte de la sociedad es necesario ver, oír y, preferentemente, tener todos nuestros miembros.
Lamentablemente, la solución más factible a esta situación no es apuntar hacia una realidad no excluyente, sino intentar curar a las personas que presenten cualquier tipo de discapacidad.
La ceguera, por ejemplo, puede originarse por distintas causas; en el caso de la atrofia de retina, sus células sufren una degeneración y la vuelven más sensible a la luz. Este tipo de trastorno puede ser hereditario o bien surgir espontáneamente a lo largo de la vida. En Alemania, un grupo de científicos de la Universidad de Tübingen ha estado trabajando durante los últimos años en un implante que podría devolverles la vista a quienes sufran de esta enfermedad en particular.
Cuando se habla de recuperar la visión, se suele emplear frases como “mejorar el estilo de vida” o “acceder finalmente a una vida normal”. Sin embargo, no muchos se detienen a pensar en los obstáculos que debería atravesar alguien que perdió la vista a los 5 años o, peor aún, una persona que jamás pudo ver.
Para quienes no la sufren, la ceguera es comparable con la nada, en cuanto a que representa un concepto imposible de entender de forma práctica; quien goza de una visión medianamente saludable no puede imaginar qué se siente no ver nada, tener que apoyarse en los otros sentidos para realizar cualquier tarea, incluso leer. Pasar de ese estado a un enfrentamiento constante con proporciones, profundidad, colores, formas, gestos, distancias, tamaños, teniendo que aprender a entender el mundo como un bebé recién nacido, no resulta una tarea fácil ni tentadora.
Usos no relacionados con la ciencia
Una ilusión óptica es un fenómeno que se produce cuando nuestra visión capta lo real de una manera equivocada o falsa. Esto puede llevarse a cabo por razones cognitivas (cuando la cultura y los conocimientos de los distintos sujetos hacen que una imagen pueda interpretarse de distintas formas) o fisiológicas (como lo que ocurre cuando una fuente de iluminación muy potente encandila al observador).
En el lenguaje cotidiano, la óptica puede ser la visión particular de una persona acerca de un tema: “Desde mi óptica, la decisión tomada por el juez fue la correcta”, “Todos pensaban que se trataba de una gran oportunidad para la empresa, pero el gerente tuvo una óptica diferente y prefirió no firmar el acuerdo”.

Significado de: Óptica y sus Usos

1. Parte de la física que estudia las leyes y fenómenos relacionados con la luz: Goethe escribió algunas cosas sobre óptica, aunque ninguno de sus tratados es importante desde un punto de vista científico.
2. Aparato formado por lentes y espejos, que sirve para ver dibujos agrandados: mañana, en clase de física, aprenderemos a fabricar ópticas rudimentarias.
3. [Uso figurado] Punto de vista, modo particular de considerar un asunto: tiendes a ver las cosas desde una óptica demasiado pesimista.
4. Establecimiento donde se venden y reparan instrumentos ópticos: acompáñame a la óptica y así me ayudas a elegir un modelo de gafas favorecedor.

Sinónimos
Física, dióptrica, catóptrica, micrografía, astronomía, fotografía, fotometría, actinometría, catoptroscopia, visión, óptico, punto de vista, perspectiva, foco.

(1)[Física] Óptica.

Parte de la física que estudia la luz y los fenómenos relacionados con ésta. Algunos de éstos son descritos sobre la base de conceptos de geometría, como la propagación de la luz y la reflexión y refracción; otros pueden ser explicados solamente mediante el lenguaje de propagación de las ondas, como los fenómenos de interferencia, difracción y polarización. Por ello dentro de la óptica cabe distinguir la óptica geométrica y la óptica física. Dentro de la óptica geométrica se estudian los fenómenos de refracción y reflexión así como las aplicaciones de las lentes. La óptica física, en cambio, pretende describir las propiedades físicas de las ondas luminosas, dejando de lado la interacción radiación-materia, que es el objeto de la óptica cuántica, y apartando el problema de su propagación, que es el objeto de la óptica geométrica. La óptica física se basa en las ecuaciones de la electrodinámica clásica y comprende la interacción entre ondas de luz, lo que da lugar a los fenómenos de interferencia y difracción, y los problemas de la percepción subjetiva de los atributos de la luz.

La óptica desde el año 500 a.C. hasta 1650 d.C.

En este período hubo gran confusión y falsos caminos iniciales hacia el entendimiento de la luz. Algunas veces una idea era establecida, aunque no de forma clara, y después era casi olvidada durante siglos antes de que reapareciese y fuese generalmente aceptada.

El uso de espejos planos y curvos y de lentes cóncavas y convexas, fue descubierto independientemente en China y en Grecia. Se encuentran referencias a espejos que queman casi desde el principio de la historia, y es posible que el conocimiento de los chinos y los griegos derive de un origen común en Mesopotamia, India o Egipto.

La formulación de leyes empíricas generales y la especulación sobre la naturaleza de la luz deriva principalmente de fuentes Mediterráneas (Griegos y Árabes). Pitágoras, filósofo y matemático griego del S. VI a.C., sugirió que la luz consiste en rayos que, actuando como tentáculos o antenas, viajan en línea recta desde los ojos a los objetos, y que la sensación de la visión se obtiene cuando estos rayos tocan los objetos. De esta forma, el misterioso sentido de la vista fue explicado en términos del sentido del tacto, más intuitivamente aceptado.

El matemático griego Euclides (300 a.C.), quien acepto la idea de Pitágoras, sabía que cuando los rayos de luz se reflejan en un espejo, el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia.

La idea de que la luz es emitida por una fuente y reflejada por un objeto, entrando entonces en los ojos para producir la sensación de visión, era conocida por Epicuro, otro filósofo griego de Samos (300 a.C.).

La hipótesis de Pitágoras fue eventualmente abandonada, y el concepto de rayos de luz viajando desde los objetos hasta los ojos fue finalmente aceptado hacia el año 1000 d.C bajo la influencia del matemático y físico árabe Alhazén.

El astrónomo Ptolomeo, que vivió en Alejandría en el siglo I d.C., investigó empíricamente la forma en que la luz se refleja y se refracta en diferentes medios, y dedujo correctamente que los rayos se curvan hacia la normal cuando entran en un medio más denso.

Tras la caída del Imperio Romano el progreso científico y técnico en Europa se detuvo. Solamente con la llegada de los antiguos escritos griegos a través de la Península Ibérica se produjo un débil renacer de la Ciencia.

Alhazén

El personaje más importante en el estudio de la luz durante la Alta Edad Media fue el sabio de Basora Ibn al-Haytam (965-1038), también conocido por Alhazén. Este científico estudió la obra de Ptolomeo, en la cual se basó para enunciar correctamente las leyes de la reflexión y la refracción, recobrando así para Occidente el conocimiento de los antiguos griegos y de los árabes. También realizó un estudio de las lentes y los espejos curvos, así como del ojo humano. Distinguió perfectamente entre la luz como un medio de visión y como fenómeno físico objetivo; por este motivo se le adjudica la fundación de la óptica física.

La obra de Alhazén tuvo una gran influencia en el Occidente cristiano, contribuyendo al renacimiento de los estudios de óptica, llevados a cabo principalmente por R. Grosseteste y Vitello en el S.XII.

Bacon

Al filósofo británico R. Bacon (1215 - 1294), padre del Método Científico, se le atribuye la primera utilización de lentes para corregir los defectos de la vista y la idea de usar lentes para conseguir grandes aumentos, lo que constituye la primera referencia histórica al telescopio.

Durante la Edad Media se generalizó el uso de lentes y espejos, perfeccionando de esta forma el conocimiento empírico de la óptica. Así, por ejemplo, los alquimistas consiguieron una amalgama de estaño y mercurio para fabricar espejos a partir de placas de vidrio.

Ya en el Renacimiento, Leonardo da Vinci (1452-1519) describió la cámara oscura que había popularizado G.B. della Porta. También detalló las diferentes combinaciones de espejos y de lentes de aumento y reductoras. A Leonardo de Vinci se debe el desarrollo de la teoría de la propagación rectilínea de la luz.

El Telescopio

La invención del telescopio refractor (compuesto únicamente por lentes) se atribuye al holandés Lippershey en 1608. Galileo Galilei (1564-1642) fue el primero en utilizar un telescopio, construido por él, con fines astronómicos. Esta aplicación y los resultados que obtuvo popularizaron el instrumento en toda Europa. Por la misma época Z. Janssen (1564-1642) construyó el primer microscopio compuesto.

Con la popularización de estos instrumentos en la Europa renacentista, surgió una polémica sobre la realidad objetiva de las imágenes que éstos proporcionaban, pues no se contaba con una teoría física que explicara la formación de imágenes por los instrumentos ópticos.

En 1611 el astrónomo danés J. Keppler publicó la Dióptrica, el primer tratado moderno de óptica instrumental, en el que recoge descubrimientos como la reflexión interna, la aproximación de la ley de refracción para ángulos muy pequeños, y el tratamiento de los sistemas de lentes. En 1621 el holandés W. Snell descubrió empíricamente la ley de refracción que lleva su nombre, y que dio origen a la óptica aplicada moderna.

Las leyes de la reflexión y la refracción fueron reunidas por el matemático francés Pierre de Fermat bajo el principio que lleva su nombre. Según este postulado los rayos de luz toman el camino que requiere un tiempo mínimo.

Considerando globalmente el desarrollo de la óptica durante este período de la historia, podemos afirmar que el resultado principal fue la fundamentación empírica de la utilización de los instrumentos ópticos más elementales.

Sólo a partir de la segunda mitad del siglo XVII comienza la teoría óptica moderna, intentando explicar los fenómenos ópticos mediante el enunciado de hipótesis acerca de la naturaleza de la luz.

La óptica desde 1650 hasta 1800

Durante esta época se propusieron diversas hipótesis sobre la naturaleza de la luz, que se dividían en dos grupos opuestos: hipótesis corpusculares e hipótesis ondulatorias. Hasta la aparición de la obra de Newton se suscitó una gran controversia sobre cuál de las dos hipótesis era la verdadera.

Uno de los primeros en basarse en una hipótesis de la naturaleza de la luz para el estudio de la óptica fue Descartes. En su obra Dióptrica (1637) utilizó un modelo corpuscular de la luz para deducir la ley de Snell en la forma trigonométrica conocida hoy. Según Descartes, la luz consistía en una sucesión de partículas que al cambiar de un medio menos denso a otro más denso sufría la acción de una fuerza normal a la interfase y dirigida hacia el medio más denso, de tal manera que en éste los corpúsculos viajaban más rápido.

Por otra parte, durante la segunda mitad del S.XVII empezaron a describirse fenómenos característicos de la naturaleza ondulatoria de la luz, tales como la difracción o la interferencia. De esta forma, F.M. Grimaldi describió por primera vez la difracción, para cuya explicación uso una hipótesis ondulatoria de la luz.

En su obra Micrographia (1665), Robert Hooke describió por primera vez las interferencias producidas en películas delgadas, que atribuyó correctamente a la interacción de la luz reflejada en cada lado de la película. A partir de este estudio propuso que la luz consistía en ondas elásticas que se propagaban a gran velocidad en un fluido luminífero especial.

El científico holandés Christian Huygens (1629-1695) mejoró considerablemente la teoría ondulatoria de la luz. Basándose en el principio que lleva su nombre, fundamentó las leyes de la reflexión y la refracción en la teoría ondulatoria de la luz; además utilizó su modelo para explicar la birrifrigencia en el espato de Islandia. Huygens suponía que la luz era la propagación de una perturbación longitudinal del éter homogéneo y estacionario.

Aproximadamente en la misma época que Huygens perfeccionaba la hipótesis ondulatoria, Isaac Newton (1642-1727) llamaba la atención sobre los fenómenos que no encajaban en esta hipótesis. Newton sabía que la propagación estrictamente rectilínea de la luz no podía ser reconciliada con la hipótesis ondulatoria. Además, los fenómenos de polarización (que pueden ser explicados por un movimiento ondulatorio transversal), descubiertos por el físico danés E. Bartholin en el siglo XVII, no eran consistentes con la teoría de ondas longitudinales considerada hasta ese momento.

De esta forma, Newton apoyaba una teoría corpuscular de la luz, aunque no desechó completamente la teoría ondulatoria. Él aceptó el concepto de un éter luminífero, y que los corpúsculos de luz estimulaban vibraciones en su seno.

Para explicar la reflexión y la refracción postuló que las partículas de luz cambiaban regularmente entre dos estados: uno en el que eran fácilmente reflejadas y otro en el que eran fácilmente refractadas. Supuso, al igual que Descartes, que los corpúsculos viajaban más rápido en un medio más denso, idea contraria a la que mantenían los defensores de la hipótesis ondulatoria.

Usando un prisma de vidrio, Newton descubrió que la luz blanca puede ser descompuesta en luz de diferentes colores, y dio los primeros pasos hacia una teoría de la visión de los colores.
Durante esta época también se consiguió medir la velocidad de la luz por primera vez. Fue O. Römer (1644-1710) quien lo consiguió midiendo los tiempos de ocurrencia de los eclipses de los satélites de Júpiter.

Durante el siglo posterior a su muerte, la gran autoridad de Newton fue citada para defender la teoría corpuscular frente a la teoría ondulatoria de una forma poco científica. Debido a este fenómeno sociológico se estancó el desarrollo de la Óptica durante el siglo XVIII.

El desarrollo de la óptica durante el siglo XIX

La validez de la teoría corpuscular de la luz parecía completamente asegurada a finales del siglo XVIII merced al desarrollo debido a Laplace y Lagrange del sistema newtoniano general, del que la teoría corpuscular de la luz se consideraba parte integrante.

Sin embargo, la teoría ondulatoria de Huygens acerca de la luz fue resucitada por el físico inglés Thomas Young (1773-1829) en el año 1801. En su tesis doctoral, sobre los sonidos y la voz humana, sugirió que tanto el sonido como la luz eran vibraciones ondulatorias, siendo los colores análogos a las notas de diferentes frecuencias. Se aceptaba que el sonido consistía en vibraciones longitudinales del aire, por lo que Young suponía que la luz constaba de similares vibraciones longitudinales de un éter luminífero que llenaba todo el espacio, tal y como Huygens había supuesto antes que él.

Era de sobra conocido que dos conjuntos de ondas de agua podían interferir unos con otros, por lo que Young realizó un experimento (el experimento de las dos rendijas de Young) en el que dos haces de luz se solapaban e interferían, produciendo bandas claras y oscuras alternantes allí donde un haz reforzaba o cancelaba al otro. Por la separación de las bandas y las dimensiones del aparato pudo calcular las longitudes de onda de las vibraciones de la luz, mostrando que eran del orden de una millonésima (10-6) de metro.

Dado que las longitudes de onda de las vibraciones de la luz eran muy pequeñas comparadas con el tamaño de los objetos visibles, Young señalaba que la luz viajaría en línea recta, pudiendo producir sobras nítidas. Young indicaba también que los efectos de difracción y otros efectos de interferencia, que habían sido descritos por Grimaldi y otros científicos durante el siglo XVII, eran pruebas en favor de la teoría ondulatoria de la luz.

Tras completar la explicación de los fenómenos ópticos entonces conocidos, en términos de la hipótesis ondulatoria de la luz, Young, junto con Wollaston, verificó el análisis de Huygens de los fenómenos de doble refracción observados en cristales de espato de Islandia.

En 1808 E.L Malus (1775-1812) descubrió la polarización por reflexión, y demostró que esta propiedad es intrínseca a los rayos luminosos, y no una propiedad añadida a éstos cuando atravesaban un medio cristalino. D.F. Arago (1786-1853) descubrió la polarización por transmisión a través de un cristal de espato de Islandia, y I.D Brewster (1781-1868) descubrió las leyes empíricas que describen este fenómeno en general.

Young consideró durante un tiempo que el fenómeno de la polarización era contrario a la hipótesis ondulatoria. Pero en 1817 observó que si las vibraciones de luz tenían lugar transversalmente a la dirección de propagación, como las ondas de agua o las vibraciones a lo largo de una cuerda estirada, en lugar de propagarse en la dirección del movimiento, como en las ondas del sonido, entonces era posible dar una explicación.

Young mencionó esta hipótesis a Arago en una carta escrita en 1817. Ese mismo año, la Academia de Ciencias francesa ofreció un premio al mejor ensayo sobre el tema de la difracción óptica; entre los que competían se encontraba un ingeniero francés de nombre Fresnel (1788-1827), que había intentado resucitar la vieja teoría ondulatoria de la luz con independencia de Young. Arago comunicó la nueva sugerencia de Young a Fresnel, quien hizo de ella la base de su ensayo para el concurso, en el que mostró que todos los fenómenos conocidos de la óptica se podrían explicar en términos de la hipótesis de que la luz consiste en vibraciones ondulatorias transversales. A Fresnel se le debe el enunciado del principio de Huygens tal como lo conocemos, y la construcción de una teoría matemática de la óptica ondulatoria.

Los experimentos concluyentes que terminaron por establecer la hipótesis ondulatoria como mayoritaria en la comunidad científica fueron llevados a cabo por Fizeau y Foucault entre 1849 y 1862, y consistían en medir la velocidad de la luz en diferentes medios.

Como ya hemos indicado, la teoría corpuscular mantenía que la velocidad de la luz era mayor en los medios más densos, mientras que la teoría ondulatoria mantenía todo lo contrario. En 1849, Fizeau midió, con bastante precisión, el tiempo empleado por la luz para atravesar una distancia dada (y con ello la velocidad de la luz) mediante una rueda dentada en rotación que, a determinada velocidad, permitía a la luz pasar por el espacio entre dos dientes consecutivos y retornar por el espacio siguiente.

En 1862, Foucault empleó un espejo rotatorio que a una velocidad medida realizaba una revolución completa en el tiempo empleado por la luz para ir y volver a un espejo estacionario. Este trabajo demostró que la luz viajaba más lentamente en el agua que en el aire en la proporción de los índices de refracción del agua y el aire, cosa que confirmaba la teoría ondulatoria.

La nueva teoría ondulatoria planteó problemas por lo que respecta a la naturaleza del éter luminífero y al origen (generación) de las ondas de luz. Otro de los problemas que se presentaban con la nueva teoría era el arrastre del éter por los cuerpos en movimiento.

Fresnel señaló en 1821 que las vibraciones longitudinales, como las del sonido en el aire, podían propagarse en un medio de tipo gaseoso, mientras que las vibraciones transversales sólo podían tener lugar en un medio que tuviese las características de un sólido. Era difícil imaginar un éter lo suficientemente sólido y rígido para transmitir las ondas de luz y que a la vez permitiese el paso libremente a los cuerpos celestes por sus órbitas. Además, Poisson (1781-1840) mostró en 1828 que si el éter fuese un cuasi-sólido, las vibraciones transversales de la luz estarían siempre acompañadas por una vibración longitudinal, lo que añadía otra dificultad más.

Se conocía la existencia de sólidos, como la brea o la cera, que eran lo bastante rígidos para transmitir vibraciones transversales, y cedían aun así a las compresiones y extensiones. Hasta el final del siglo XIX, científicos de talla como Stokes, MacCullagh, Lord Kelvin, Cauchy, Green, y Maxwell, propusieron diferentes modelos mecánicos de éter en el que éste poseía las cualidades de la cera o la brea, pero de manera más acusada. Sin embargo, las teorías mecánicas del éter constituyeron en general ingeniosos y notables fracasos. En último término, fueron la teoría de la relatividad y el abandono de la teoría de Newton los que determinaron su muerte.