El arco iris

Uno de los fenómenos naturales más bellos, fácilmente observable, es el arco iris. Un efecto de luz desconcertante para aquellos que no entienden la naturaleza de la luz y rodeado de mitos. Por ejemplo, la tradición europea dice que los extremos del arcoíris tienen botes con oro y algunas tradiciones latinas dicen que pasar por debajo del arcoíris hace cambiar a la persona de sexo.

El fenómeno del arco iris fue explicada por Isaac Newton, uno de los físicos más famosos de todos los tiempos, que vivió en Inglaterra desde 1642 hasta 1727. Él sentó las bases de la mecánica clásica, también llamada newtoniana, que explica el movimiento de los cuerpos. Introdujo la noción de la gravitación universal y calculó la aceleración de la gravedad terrestre. Junto a Leibniz, desarrolló la teoría del cálculo diferencial. También estudió la luz y la trató como una onda, introduciendo el concepto de frecuencia.

Newton explicó la naturaleza del arcoíris con un experimento. Después de eso, en 1820,Keats, un importante poeta británico, quedó indignado por el hecho de que hubiera una explicación natural para un fenómeno tan hermoso y lleno de misticismo. El poeta acusaría en sus versos a Newton de destruir la poesía habida en el arcoíris.

Isaac Newton creó un arco iris en un cuarto oscuro. Un pequeño agujero dejaba pasar un rayo de sol. En el camino de esa luz colocó un prisma transparente. Ese objeto refractaba (modificaba la dirección) del rayo de sol por un ángulo, una vez penetraba en el vidrio, y después nuevamente cuando pasaba por la cara más distante para volver al aire. Cuando la luz alcanzaba la pared del fondo del cuarto de Newton, los siete colores del espectro quedaban claramente evidentes.

Newton no fue el primero en crear un arco iris artificial con un prisma, pero fue el primero en utilizar el prisma para demostrar que la luz blanca es una mezcla de diferentes colores. El prisma separa los colores, inclinándolos en diferentes ángulos: el azul es un ángulo más agudo que el rojo; el verde, el amarillo y el naranja poseen ángulos intermediarios.

El prisma separa un haz de luz blanca en los varios colores del espectro.

Algunas personas pensaban que el prisma alteraba la calidad de la luz, dando color a la misma, en lugar de separar los colores de una combinación existente. Newton decidió la cuestión en dos experimentos en los que la luz pasa a través de un segundo prisma. Inicialmente se coloca después del primer prisma una grieta que deja pasar sólo una pequeña parte del espectro, digamos, la parte roja. Cuando la luz roja se refracta de nuevo por un segundo prisma, sólo la luz roja apareció. Esto demostró que la luz no es cualitativamente cambiada por un prisma, sólo separada. En su otro experimento decisivo, Newton cambió el segundo prisma de cabeza hacia abajo. Los colores del espectro que habían sido desdoblados por el primer prisma volvieron a ser reunidos por el segundo. Lo que apareció fue la luz blanca reconstituida.

La manera más fácil de entender el espectro es la teoría de la luz como una onda. Lo importante de las ondas es que nada en realidad viaja por todo el camino desde el origen al destino. El movimiento que se produce es local y en pequeña escala. El movimiento local desencadena el movimiento en el próximo corte local, y así por delante, a lo largo de toda la línea.

¿Qué ocurre en un prisma de vidrio o una gota de agua para dividir la luz blanca en sus colores separados? ¿Y por qué los rayos de luz son desviados por el vidrio y por el agua? El cambio resulta de un retardo de la luz, mientras ella se mueve del aire hacia dentro del vidrio (o del agua). La luz acelera de nuevo cuando sale del vidrio.

¿Cómo puede ocurrir algo así si Einstein demostró que la velocidad de la luz es la gran constante física del Universo y que nada puede moverse más rápido? La respuesta es que la legendaria velocidad de la luz, representada por el símbolo c, solo es alcanzada en el vacío. Cuando se desplaza por una sustancia transparente como el vidrio o el agua, la luz se retrasa por un factor conocido como el índice de refracción de esa sustancia. Es también retrasada en el aire, pero con menor intensidad.

¿Cómo los rayos de luz son desviados por el vidrio y el agua? El cambio resulta en un retraso de la luz mientras que se mueve el aire en el interior del vaso (o agua). Se acelera de nuevo cuando se trata de la copa.

¿Y por qué la disminución de la velocidad se traduce en un cambio de ángulo? Si el rayo de luz apunta perpendicularmente para dentro de un bloque de vidrio, él va a continuar en el mismo ángulo (rumbo al frente) pero retardado. Por otro lado, si entra en la superficie por un ángulo oblicuo, es refractado por un ángulo más abierto, cuando comienza a desplazarse más lentamente.

El índice de refracción de una sustancia, por ejemplo vidrio o agua, es mayor para la luz azul que para la roja. Uno podría pensar que la luz azul es más lento que la roja, enmarañándose en los átomos del vidrio y del agua, por causa de su pequeña longitud de onda. La luz de todos los colores se enmaraña menos entre los átomos más esparcidos del aire, pero el azul todavía se desplaza más lento que el rojo.

En el vacío, donde no hay átomos, la luz de todos los colores tienen la misma velocidad: el grande y universal máximo c.

Las gotas de lluvia tienen un efecto más complicado que el prisma de Newton. Siendo aproximadamente esféricas, su superficie posterior actúa como un espejo cóncavo. Así, ellas reflejan la luz del sol después de refractarla, siendo esa la razón por la cual vemos el arcoíris en la parte del cielo opuesta al sol.

Imagina que te encuentras con la espalda dada hacia el sol, mirando la lluvia, de preferencia con un fondo de sombrío. No vamos a ver un arco iris cuando el sol está alto en el cielo de 42 grados sobre el horizonte. Cuanto más quede el sol, más elevado el arcoíris. Cuando el sol nace por la mañana, el arcoíris, si hubiera alguno visible, se pone. Cuando el sol se pone al atardecer, el arcoíris se eleva. Así, vamos a asumir que es de mañana temprano o el final de la tarde. Pensaremos en una gota de lluvia particular con una forma de esfera. El sol está detrás y un poco encima de ti y su luz entra en la gota de lluvia.

En la frontera entre el aire y el agua, la luz es refractada y diferentes longitudes de onda que forman la luz solar están inclinadas en ángulos diferentes, como en el prisma de Newton. Los colores desviados pasan por el interior de la gota de lluvia hasta alcanzar la pared cóncava del otro lado, donde son reflejadas de vuelta y hacia abajo. Ellas salen de nuevo de la gota de lluvia y algunas acaban en nuestro ojo. Cuando vuelven a pasar del agua hacia el aire, son refractadas nuevamente, siendo los diferentes colores más una vez inclinados en ángulos diferentes.

Así un espectro completo –rojo, naranja, amarillo, verde, añil y violeta/morado– se origina de nuestra única gota de lluvia, y otros semejantes se originan de las otras gotas de lluvia en los alrededores.

Pero, de cualquier gota de lluvia, apenas una pequeña parte del espectro alcanza a nuestro ojo. Si el ojo recibe un rayo de luz verde de una gota de lluvia particular, la luz de aquella gota de lluvia pasa encima del ojo, y la luz roja pasa por debajo. Siendo así, ¿cómo podemos ver el arco iris completo?

Porque hay muchas gotas de lluvia diferentes. Una banda de millares de gotas de lluvia está dándole la luz verde (y al mismo tiempo, la luz azul para alguien que esté colocado encima de ti, y al mismo tiempo la luz roja para la persona debajo de ti).

Otra banda de millares de gotas de lluvia le está dando la luz roja, otra banda la luz azul, y así sucesivamente. Las gotas de lluvia que le transmiten la luz roja están todas a una distancia fija de ti –razón por la cual la banda roja es curvada (tú estás en el centro del círculo).

Las gotas de lluvia que le transmiten la luz verde también están a una distancia fija de ti, pero a una distancia menor.

Así, el círculo en que tú estás se encuentra en un radio menor, y la curva verde se encuentra dentro de la curva roja. La curva azul va entonces a estar dentro de la verde, y todo el arcoíris es construido como una serie de círculos contigo en el centro. Los otros observadores contemplarán el arcoíris de manera diferentes, en ellos centrados.

Así, al revés del arcoíris estar fijado en un sitio particular, hay tantos arcoíris como ojos contemplando el fenómeno. Mirando la misma lluvia en diferentes lugares, observadores diferentes van a formar sus arcoíris separados usando la luz de diferentes grupos de gotas de lluvia.

El poeta inglés se indignó por Newton haber explicado el arcoíris, pero, para muchos, la naturaleza siempre quedará más bella cuanto mejor sea comprendida.