Newton usando un prisma para separar la luz blanca en los colores del espectro, bajo la atenta mirada de su compañero de habitación en la Universidad de Cambridge, John Wickins (Ann Ronan Pictures/Print Collector/Getty Image).
El espectro electromagnético es el conjunto completo de todas las formas de radiación electromagnética, es decir, es el conjunto formado por las ondas de radio y televisión, la luz visible, las radiaciones infrarroja y ultravioleta, ademas de los rayos x y gamma. Como se puede observar en la Figura 1, en el centro se ubica el espectro visible por el ojo humano (380–750 nm), mientras que a la izquierda se encuentra el espectro infrarrojo (750–1011 nm) y a la derecha el ultravioleta (10-380 nm). Las frecuencias y longitudes de onda que se encuentran en la naturaleza abarcan un intervalo tan amplio que se tiene que usar una escala logarítmica para indicar todas las bandas importantes, así como las fronteras entre las bandas son un poco difusas.
Figura 1. El espectro electromagnético visible (Young y Freedman 2009).
El Espectro electromagnético visible abarca los seis colores del arcoíris (rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta), cuyos rangos de longitud de onda se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Longitudes de onda del espectro visible (Young y Freedman 2009).
| Longitud de onda, λ (nm) | Color |
| 400–440 | Violeta |
| 440–480 | Azul |
| 480–560 | Verde |
| 560–590 | Amarillo |
| 590–630 | Naranja |
| 630–700 | Rojo |
El primer tratamiento sistemático de la óptica moderna le corresponde a la obra de Robert Hooke Micrographia (1665), donde propone una teoría ondulatoria para la luz que consiste en un movimiento vibratorio extremadamente rápido que se propagaba instantáneamente a través de un medio. Asimismo, el color no es una propiedad fundamental, sino que surge de una distorsión de la luz blanca —homogénea, considerada como la forma simple y pura— al refractarse el frente de onda, particularmente en medios delgados.
«Las críticas confirmaron los peores temores de Newton. Se había aventurado en público y había sido agredido… La experiencia con Hooke lo marcó para siempre. Durante el resto de su vida, rechazó la exposición que le brindaba la publicación… Se encerró en Cambridge… y se negó a publicar sobre óptica hasta después de la muerte de Hooke.»
—Never at Rest: A Biography of Isaac Newton, Richard S Westfall (1982)
Siete años después, Isaac Newton presenta su nueva teoría sobre la luz y los colores (1672) en una carta a la Royal Society, una teoría corpuscular basada en experimentos con el prisma como herramienta fundamental de investigación (Hentschel 2002) para demostrar que la luz blanca es una mezcla heterogénea de todos los colores del espectro visible —en aquel entonces solamente «espectro», ya que solo se conocía el visible—. Esta conclusión se basa en que el prisma separa los colores debido a la refrangibilidad, por lo que cada color es una propiedad original e innata de los rayos luminosos y no el resultado de una modificación. Como contradecía directamente la teoría de Hooke, provocó una reacción inmediata y crítica, acusando a Newton de presentar como novedosa una teoría que ya estaba contenida en su Micrographia (1665), además de considerar insuficientemente respaldadas las conclusiones. Este hecho afligió a Newton y le alejó de la esfera pública para seguir trabajando y experimentado en privado sin publicar nada al respecto (Westfall 1982).
«Sin embargo, la gran desavenencia entre ambos se produjo en 1686, con la publicación de los Principia de Newton. Hooke afirmó entonces que había sido él quien, en su correspondencia con Newton, le había proporcionado la noción clave de una fuerza de gravedad que varía con el inverso del cuadrado de la distancia. Si bien Hooke había intuido esta relación, fue Newton quien la demostró matemáticamente y la elevó al rango de ley universal, algo que el segundo nunca le perdonó.»
—Never at Rest: A Biography of Isaac Newton, Richard S Westfall (1982)
«Esta actitud hacia mí es muy extraña e inmerecida, así que no puedo abstenerme de mencionar ese punto de justicia para decirles más… Debería haberse excusado alegando su incapacidad. Pues sus palabras dejan claro que no sabía cómo hacerlo. ¿Acaso no es esto muy bueno? Los matemáticos que investigan, resuelven y hacen todo el trabajo deben contentarse con ser simples calculadores y trabajadores, y otro que no hace más que fingir y comprender todo debe llevarse toda la invención…»
—Newton to Halley, 27 May 1686, Isaac Newton (1686)
Llega 1686 y Newton hace entrega a Edmund Halley, como secretario de la Royal Society, el manuscrito (los dos primeros tomos y parte del tercero) de lo que será el Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687). Hooke se entera y acusa a Newton de apropiarse la idea de la ley de gravitación universal, generando una de las mayores enemistades en el mundo de la ciencia. Por si eso no fuera suficiente, entra Christian Huygens a escena, quien desarrolló una teoría ondulatoria matemáticamente más rigurosa que la de Hooke y la de Newton en Traité de la Lumière (1690). Desde Leiden, Huygens critica el concepto newtoniano de colores inmutables y ofrece la explicación más sólida de aquel tiempo para el fenómeno de la doble refracción en el espato de Islandia, un verdadero punto ciego para la teoría corpuscular. Debido a la divergencia de criterios y la crítica desproporcionada, Newton pospone la publicación de sus investigaciones sobre la luz hasta después del fallecimiento de sus rivales, publicando Opticks (1704) un año después del fallecimiento de Hooke en 1703 (el de Huygens fue en 1695), en la que consolidó una teoría corpuscular que, si bien logró imponerse durante un siglo, nació y se desarrolló en el seno de este intenso debate triangular sobre la naturaleza fundamental de la luz.
«Tenemos una prueba directa y simple, en el caso del vidrio rojo, de que los rayos de luz se transmiten, mientras que los de calor se detienen, y que, por lo tanto, no tienen nada en común excepto un cierto grado de refrangibilidad.»
—Mapping the Spectrum: Techniques of Visual Representation in Research and Teaching, Klaus Henstchel (2002)
El siguiente avance llegó en el siglo XIX con Herschel (1800), quien descubrió la radiación infrarroja al darse cuenta de que la mayor temperatura de los termómetros bajo la luz de cada color del espectro visible se alcanzaba más allá del rojo (Henstchel 2002). Inspirado por esto, Ritter investigó en 1801 el extremo opuesto. Usando papel tratado con cloruro de plata, observó que la reacción química era más intensa más allá del violeta, descubriendo la radiación ultravioleta (Ritter, 1801). Estos hallazgos demostraron que el espectro visible era solo una pequeña parte de un conjunto más amplio.
La unificación teórica de estos fenómenos llegó con James Clerk Maxwell. En 1865, sus ecuaciones predijeron que la electricidad, el magnetismo y la luz eran manifestaciones de un mismo fenómeno: las ondas electromagnéticas, que deberían existir en un amplio espectro de longitudes de onda (Maxwell, 1865). La confirmación experimental la proporcionó Heinrich Hertz en 1887, generando y detectando ondas de radio en su laboratorio, las cuales se comportaban como Maxwell había predicho (Hertz, 1887). Los descubrimientos de los rayos X por Röntgen (1895) y de la radiactividad (que incluye rayos gamma) completaron la exploración de los extremos de alta energía del espectro, revelando la familia completa de radiaciones que comparten una misma naturaleza fundamental.
Hentschel K (2002) Mapping the Spectrum: Techniques of Visual Representation in Research and Teaching. Oxford University Press, Oxford
Herschel W (1800a) Investigation of the Powers of the Prismatic Colours to Heat and Illuminate Objects; with Remarks, That Prove the Different Refrangibility of Radiant Heat. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 90: 255–283. doi 10.1098/rstl.1800.0014
Herschel W (1800b) Experiments on the Refrangibility of the Invisible Rays of the Sun. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 90: 284–292. doi 10.1098/rstl.1800.0015
Hertz H (1887) Ueber sehr schnelle elektrische Schwingungen. Annalen der Physik 267(7): 421-448. doi 10.1002/andp.18872670707
Hooke R (1665) Micrographia: or Some Physiological Descriptions of Minute Bodies Made by Magnifying Glasses. With Observations and Inquiries Thereupon. Royal Society, Londre
Huygens C (1690) Traité de la Lumière. Pierre van der Aa, Leiden
Maxwell JC (1865) A dynamical theory of the electromagnetic field. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 155: 459–512. doi 10.1098/rstl.1865.0008
Newton I (1672) A letter of Mr. Isaac Newton, Professor of the Mathematicks in the University of Cambridge; containing his new theory about light and colors: sent by the author to the publisher from Cambridge, Febr. 6. 1671/72; in order to be communicated to the R. Society. Philosophical Transactions of the Royal Society 6(80): 3075–3087. doi 10.1098/rstl.1671.0072
Newton I (1686) Newton to Halley, 27 May 1686. En Turnball HW (ed) The Correspondence of Isaac Newton. Londres: Cambridge University Press: 433–434. doi 10.1017/9781108627375
Newton I (1687) Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Royal Society, Londres
Newton I (1704) Opticks: or, A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light. Royal Society, Londres
Ritter JW (1801) Versuche über das Sonnenlicht. Annalen der Physik 7(4): 527–529. doi 10.1002/andp.18030121205
Westfall RS (1982) Never at Rest: A Biography of Isaac Newton. Cambridge University Press, Cambridge
Young HD, Freedman RA (2009) Física Universitaria: Volumen 2. Pearson, México DF
El espectro electromagnético es el conjunto completo de todas las formas de radiación electromagnética, es decir, es el conjunto formado por las ondas de radio y televisión, la luz visible, las radiaciones infrarroja y ultravioleta, ademas de los rayos x y gamma. Como se puede observar en la Figura 1, en el centro se ubica el espectro visible por el ojo humano (380–750 nm), mientras que a la izquierda se encuentra el espectro infrarrojo (750–1011 nm) y a la derecha el ultravioleta (10-380 nm). Las frecuencias y longitudes de onda que se encuentran en la naturaleza abarcan un intervalo tan amplio que se tiene que usar una escala logarítmica para indicar todas las bandas importantes, así como las fronteras entre las bandas son un poco difusas.
Figura 1. El espectro electromagnético visible (Young y Freedman 2009).
El Espectro electromagnético visible abarca los seis colores del arcoíris (rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta), cuyos rangos de longitud de onda se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Longitudes de onda del espectro visible (Young y Freedman 2009).
| Longitud de onda, λ (nm) | Color |
| 400–440 | Violeta |
| 440–480 | Azul |
| 480–560 | Verde |
| 560–590 | Amarillo |
| 590–630 | Naranja |
| 630–700 | Rojo |
El primer tratamiento sistemático de la óptica moderna le corresponde a la obra de Robert Hooke Micrographia (1665), donde propone una teoría ondulatoria para la luz que consiste en un movimiento vibratorio extremadamente rápido que se propagaba instantáneamente a través de un medio. Asimismo, el color no es una propiedad fundamental, sino que surge de una distorsión de la luz blanca —homogénea, considerada como la forma simple y pura— al refractarse el frente de onda, particularmente en medios delgados.
«Las críticas confirmaron los peores temores de Newton. Se había aventurado en público y había sido agredido… La experiencia con Hooke lo marcó para siempre. Durante el resto de su vida, rechazó la exposición que le brindaba la publicación… Se encerró en Cambridge… y se negó a publicar sobre óptica hasta después de la muerte de Hooke.»
—Never at Rest: A Biography of Isaac Newton, Richard S Westfall (1982)
Siete años después, Isaac Newton presenta su nueva teoría sobre la luz y los colores (1672) en una carta a la Royal Society, una teoría corpuscular basada en experimentos con el prisma como herramienta fundamental de investigación (Hentschel 2002) para demostrar que la luz blanca es una mezcla heterogénea de todos los colores del espectro visible —en aquel entonces solamente «espectro», ya que solo se conocía el visible—. Esta conclusión se basa en que el prisma separa los colores debido a la refrangibilidad, por lo que cada color es una propiedad original e innata de los rayos luminosos y no el resultado de una modificación. Como contradecía directamente la teoría de Hooke, provocó una reacción inmediata y crítica, acusando a Newton de presentar como novedosa una teoría que ya estaba contenida en su Micrographia (1665), además de considerar insuficientemente respaldadas las conclusiones. Este hecho afligió a Newton y le alejó de la esfera pública para seguir trabajando y experimentado en privado sin publicar nada al respecto (Westfall 1982).
«Sin embargo, la gran desavenencia entre ambos se produjo en 1686, con la publicación de los Principia de Newton. Hooke afirmó entonces que había sido él quien, en su correspondencia con Newton, le había proporcionado la noción clave de una fuerza de gravedad que varía con el inverso del cuadrado de la distancia. Si bien Hooke había intuido esta relación, fue Newton quien la demostró matemáticamente y la elevó al rango de ley universal, algo que el segundo nunca le perdonó.»
—Never at Rest: A Biography of Isaac Newton, Richard S Westfall (1982)
«Esta actitud hacia mí es muy extraña e inmerecida, así que no puedo abstenerme de mencionar ese punto de justicia para decirles más… Debería haberse excusado alegando su incapacidad. Pues sus palabras dejan claro que no sabía cómo hacerlo. ¿Acaso no es esto muy bueno? Los matemáticos que investigan, resuelven y hacen todo el trabajo deben contentarse con ser simples calculadores y trabajadores, y otro que no hace más que fingir y comprender todo debe llevarse toda la invención…»
—Newton to Halley, 27 May 1686, Isaac Newton (1686)
Llega 1686 y Newton hace entrega a Edmund Halley, como secretario de la Royal Society, el manuscrito (los dos primeros tomos y parte del tercero) de lo que será el Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687). Hooke se entera y acusa a Newton de apropiarse la idea de la ley de gravitación universal, generando una de las mayores enemistades en el mundo de la ciencia. Por si eso no fuera suficiente, entra Christian Huygens a escena, quien desarrolló una teoría ondulatoria matemáticamente más rigurosa que la de Hooke y la de Newton en Traité de la Lumière (1690). Desde Leiden, Huygens critica el concepto newtoniano de colores inmutables y ofrece la explicación más sólida de aquel tiempo para el fenómeno de la doble refracción en el espato de Islandia, un verdadero punto ciego para la teoría corpuscular. Debido a la divergencia de criterios y la crítica desproporcionada, Newton pospone la publicación de sus investigaciones sobre la luz hasta después del fallecimiento de sus rivales, publicando Opticks (1704) un año después del fallecimiento de Hooke en 1703 (el de Huygens fue en 1695), en la que consolidó una teoría corpuscular que, si bien logró imponerse durante un siglo, nació y se desarrolló en el seno de este intenso debate triangular sobre la naturaleza fundamental de la luz.
«Tenemos una prueba directa y simple, en el caso del vidrio rojo, de que los rayos de luz se transmiten, mientras que los de calor se detienen, y que, por lo tanto, no tienen nada en común excepto un cierto grado de refrangibilidad.»
—Mapping the Spectrum: Techniques of Visual Representation in Research and Teaching, Klaus Henstchel (2002)
El siguiente avance llegó en el siglo XIX con Herschel (1800), quien descubrió la radiación infrarroja al darse cuenta de que la mayor temperatura de los termómetros bajo la luz de cada color del espectro visible se alcanzaba más allá del rojo (Henstchel 2002). Inspirado por esto, Ritter investigó en 1801 el extremo opuesto. Usando papel tratado con cloruro de plata, observó que la reacción química era más intensa más allá del violeta, descubriendo la radiación ultravioleta (Ritter, 1801). Estos hallazgos demostraron que el espectro visible era solo una pequeña parte de un conjunto más amplio.
La unificación teórica de estos fenómenos llegó con James Clerk Maxwell. En 1865, sus ecuaciones predijeron que la electricidad, el magnetismo y la luz eran manifestaciones de un mismo fenómeno: las ondas electromagnéticas, que deberían existir en un amplio espectro de longitudes de onda (Maxwell, 1865). La confirmación experimental la proporcionó Heinrich Hertz en 1887, generando y detectando ondas de radio en su laboratorio, las cuales se comportaban como Maxwell había predicho (Hertz, 1887). Los descubrimientos de los rayos X por Röntgen (1895) y de la radiactividad (que incluye rayos gamma) completaron la exploración de los extremos de alta energía del espectro, revelando la familia completa de radiaciones que comparten una misma naturaleza fundamental.
Hentschel K (2002) Mapping the Spectrum: Techniques of Visual Representation in Research and Teaching. Oxford University Press, Oxford
Herschel W (1800a) Investigation of the Powers of the Prismatic Colours to Heat and Illuminate Objects; with Remarks, That Prove the Different Refrangibility of Radiant Heat. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 90: 255–283. doi 10.1098/rstl.1800.0014
Herschel W (1800b) Experiments on the Refrangibility of the Invisible Rays of the Sun. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 90: 284–292. doi 10.1098/rstl.1800.0015
Hertz H (1887) Ueber sehr schnelle elektrische Schwingungen. Annalen der Physik 267(7): 421-448. doi 10.1002/andp.18872670707
Hooke R (1665) Micrographia: or Some Physiological Descriptions of Minute Bodies Made by Magnifying Glasses. With Observations and Inquiries Thereupon. Royal Society, Londre
Huygens C (1690) Traité de la Lumière. Pierre van der Aa, Leiden
Maxwell JC (1865) A dynamical theory of the electromagnetic field. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 155: 459–512. doi 10.1098/rstl.1865.0008
Newton I (1672) A letter of Mr. Isaac Newton, Professor of the Mathematicks in the University of Cambridge; containing his new theory about light and colors: sent by the author to the publisher from Cambridge, Febr. 6. 1671/72; in order to be communicated to the R. Society. Philosophical Transactions of the Royal Society 6(80): 3075–3087. doi 10.1098/rstl.1671.0072
Newton I (1686) Newton to Halley, 27 May 1686. En Turnball HW (ed) The Correspondence of Isaac Newton. Londres: Cambridge University Press: 433–434. doi 10.1017/9781108627375
Newton I (1687) Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Royal Society, Londres
Newton I (1704) Opticks: or, A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light. Royal Society, Londres
Ritter JW (1801) Versuche über das Sonnenlicht. Annalen der Physik 7(4): 527–529. doi 10.1002/andp.18030121205
Westfall RS (1982) Never at Rest: A Biography of Isaac Newton. Cambridge University Press, Cambridge
Young HD, Freedman RA (2009) Física Universitaria: Volumen 2. Pearson, México DF
