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La óptica de Newton

(Capítulo 2, Sección 2 del libro El Salto Lógico, de David Harriman)

Cuando Newton empezó su lucha por establecer un método inductivo correcto en física, estaba trabajando en el campo de la óptica, no en cinemática o en astronomía. En sus primeros años, mucho antes de que los Principia le dieran la fama, llevó a cabo un estudio de la luz y los colores, un estudio que ha sido descrito como “la más excelsa investigación experimental del siglo XVII”.12

Vivimos en un mundo lleno de colores. Por lo general, los colores que vemos son producidos por una reflexión de la luz normal (blanca) sobre los cuerpos, y el color específico reflejado depende de la naturaleza del cuerpo. Ya hacia la segunda mitad del siglo XVII se sabía también que los colores pueden ser producidos por refracción. Siendo estudiante en el Trinity College, Newton estudió: la ley del seno para la refracción (descubierta por Snell en 1621); los colores que resultan de que la luz blanca atraviese cuñas de vidrio (prismas); la idea de que un arco iris es causado de algún modo por la luz que se refracta en las gotas de lluvia; y el hecho de que los telescopios refractores producían imágenes borrosas con bordes coloreados.

El temprano interés de Newton por esta materia queda patente en su detallado estudio del libro de Robert Boyle Experimentos y consideraciones sobre los colores (1664). Dos expertos dan la siguiente descripción de las notas que Newton tomó sobre este libro:

Las notas comprenden datos acerca de la forma en que los colores de los objetos cambian bajo una gran variedad de circunstancias. Dan cuenta de los efectos del calor, de las características de varios sublimados, ácidos y precipitados, de la forma en que los objetos cambian bajo diversas luces y posiciones, los efectos de los tintes, las disoluciones y las sales, y los cambios en los colores que son provocados por varias combinaciones de esos “instrumentos”. Aunque el objetivo de Newton era ampliar su base de información, las entradas son más que una colección desordenada. Cada pieza de información se relaciona de alguna forma o bien con la aparente diferencia en el color de un cuerpo cuando uno lo mira y cuando mira a través de él, o bien con las formas que hay de cambiar el color de un cuerpo.13

En estos años de estudiante, Newton llevaba con él un diario con el título “Algunas preguntas filosóficas”, en el que anotaba sus preguntas y sus ideas iniciales sobre diversos temas de física, incluido el tema de la luz y los colores. Por ejemplo, se preguntó por qué los materiales tienen diferentes transparencias, por qué la refracción es ligeramente menor en agua caliente que en agua fría, o por qué el carbón es negro y la ceniza es blanca. Se preguntó si la luz viaja a velocidad finita, si los rayos de luz podrían mover un cuerpo “como el viento mueve la vela de un barco”, y si la refracción en superficies de vidrio es la misma cuando se elimina el aire a su alrededor. Estas preguntas muestran una mente extraordinariamente activa que había absorbido el conocimiento disponible en la materia.

En sus notas sobre los colores, Newton hizo referencia a algunas de las explicaciones propuestas que había encontrado en la literatura. Escribió: “Los colores surgen tanto a partir de sombras entremezcladas con luz, o por reflexiones más fuertes o más débiles. O de partes del objeto mezcladas con la luz y transportadas por ella.”14

Pronto abandonó la primera posibilidad, resaltando que hay muchos casos en los que el blanco y el negro se mezclan sin producir ningún color, y señalando que los bordes de las sombras no son de colores. En esta temprana etapa, no tenía su propia teoría, y se dio cuenta de que nadie tenía una (a pesar de que algunos afirmaban presuntuosamente lo contrario).

No pasó mucho tiempo para que Newton se comprase un prisma y empezase su propia investigación. Empezó mirando varios objetos a través del prisma. Sus primeras observaciones importantes fueron de los colores que aparecen en la frontera entre objetos claros y objetos oscuros. Por ejemplo, si se coloca una delgada tira de papel blanco contra un fondo oscuro y se mira a través de un prisma, uno de los bordes del papel se verá azul y el otro rojo.

A partir de la observación del arco iris y de la luz refractándose a través de prismas, se sabía en todas partes que el azul y el rojo están en lados opuestos del espectro de colores. Algunos científicos propusieron que cuando un haz de luz blanca entra en el agua o en el vidrio con un ángulo oblicuo, uno de los bordes del haz queda afectado de forma diferente al otro, haciendo que la luz de un lado se vuelva azul mientras que la luz del otro se vuelve roja. A Newton, sin embargo, se le ocurrió otra cosa: pensó que tal vez el arco iris y los “colores en la frontera” aparecerían si la luz azul se refractara un poco más que la luz roja. En otras palabras, se le ocurrió preguntarse: ¿Se ven la luz azul y la luz roja en lados opuestos, no porque se originen en lugares distintos del haz, sino porque el agua o el vidrio las desvían en ángulos diferentes?

Esa pregunta sólo podía ser respondida experimentando. Newton cogió un hilo y pintó la mitad de su longitud azul y la otra mitad roja. Cuando extendió el hilo en línea recta contra un fondo oscuro y lo miró a través de un prisma, las mitades roja y azul parecían discontinuas, una encima de la otra. El prisma desplazaba la imagen de la mitad azul del hilo más de lo que desplazaba la mitad roja. Partiendo de este único experimento, Newton llegó a una verdad universal: en la refracción, la luz azul se desvía más que la luz roja.

Puesto que luces de varios colores surgen del prisma en ángulos ligeramente distintos, el espectro de colores se irá esparciendo a medida que la luz se vaya alejando del prisma. Esta idea condujo a Newton a otro experimento. Habiendo oscurecido las ventanas de la habitación donde trabajaba, dejó que la luz del sol entrara por un pequeño orificio. Colocó un prisma cerca de la apertura de forma que la luz lo atravesase y se proyectase sobre la pared del fondo, a unos siete metros de distancia. Observó que el estrecho haz circular de luz blanca era desviado por el prisma y se convertía en un espectro de colores completo y alargado en este orden: rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta. El espectro se extendía en la misma dirección en la que el vidrio desviaba la luz, y era cinco veces más largo que ancho.15

Después de haber observado este significativo cambio en un haz de luz blanca incidente, era natural preguntarse qué efecto tendría un prisma sobre un haz incidente de luz coloreada. Para hallar la respuesta, Newton llevó a cabo una serie de experimentos en los que generaba un espectro con un prisma y después hacía pasar cada color de forma individual por un segundo prisma. A diferencia de lo que ocurría con la luz blanca, observó que sólo variaba la dirección de la luz coloreada. Sus medidas confirmaron que la luz azul se desviaba más que la luz roja, como era de esperar. Más importante, sin embargo, era el nuevo hecho fundamental de que el color se ve inalterado y los haces no se esparcen al pasar por el segundo prisma.

Al parecer los colores individuales varían su dirección pero no se ven afectados de ninguna otra forma por los prismas. Pero si los prismas no afectan a los colores, ¿cómo pueden entonces crear los colores a partir de un haz de luz blanca? Tal vez, pensó Newton, el prisma no crea los colores; tal vez ya están en la luz blanca y simplemente son separados al tener un ángulo de refracción diferente. En otras palabras, se le ocurrió una idea radical: tal vez vemos como luz blanca lo que en realidad es una mezcla de todos los colores.

Él sabía que en algunos casos una mezcla de dos colores se ve como un color diferente. En sus notas tempranas había documentado su observación de que la llama amarilla de una vela parece verde si se mira a través de un vidrio azul. También sabía que la luz blanca vista a través de una combinación de vidrios rojo y azul se ve morada. Estas evidencias ya le habían convencido de que una mezcla de colores puede parecer muy distinta de cualquiera de sus componentes. Sin embargo, era un paso atrevido sugerir que la blancura—que durante mucho tiempo había sido el símbolo por excelencia de la “pureza”—fuese en realidad una mezcla de todos los colores del espectro. Era atrevido, pero era algo que estaba fundamentado en evidencias observacionales.

Newton nunca quedaba satisfecho con sugerir una posibilidad; él no se conformaba sin tener una prueba experimental. Si la luz blanca está compuesta por todos los demás colores, entonces debería ser posible volver a juntar los colores separados y formar la luz blanca de nuevo. Se dio cuenta de que eso podría hacerse empleando una combinación de prismas o una lente de focalización, y mostró que cuando se hace converger todo el espectro de colores, se ve blanco. Y es más, cuando se deja al espectro seguir más allá del foco de la lente y separarse de nuevo al otro lado, los colores aparecen otra vez, y en orden inverso. La conclusión ahora era inevitable: los colores individuales son los componentes simples y “puros”, mientras que la luz blanca es una mezcla de ellos.

A continuación, Newton aplicó su nueva perspectiva para entender por qué los objetos a nuestro alrededor muestran sus colores característicos. La implicación básica de su teoría estaba clara: cuando un objeto se ilumina con luz blanca y aun así aparece un color específico, el motivo debe ser que el objeto refleja ese color fuertemente mientras que absorbe o transmite la mayoría de la luz del resto del espectro. Basándose en sus descubrimientos anteriores, Newton no esperaba que los colores se crearan o cambiasen en la reflexión; deberían simplemente quedar separados en la medida que un color es reflejado más que otros.

Para poner esto a prueba experimentalmente, tomó un trozo de papel y pintó la mitad izquierda de azul y la mitad derecha de rojo. En una habitación a oscuras, iluminó el papel sólo con la luz azul que venía de un prisma. Tal y como esperaba, el papel entero se veía azul, pero el color era más intenso en la mitad izquierda y más débil en la derecha. Cuando iluminó el papel con la luz roja del prisma, vio otra vez el resultado esperado: todo el papel era rojo, pero esta vez la mitad izquierda se veía débil y la mitad derecha, intensa. Los colores no cambian con la reflexión; la pintura azul refleja la luz azul fuertemente y la luz roja débilmente, mientras que la pintura roja refleja la luz roja intensamente y la luz azul débilmente. Estas observaciones constituyeron una confirmación simple pero poderosa de su teoría.

Newton propuso otras demostraciones convincentes de que los colores que componen la luz blanca se separan cuando tienen lugar cantidades desiguales de reflexión y transmisión sobre superficies. Por ejemplo, dejó su habitación a oscuras y luego dejó pasar un fino rayo de luz blanca para que iluminase una lámina de oro muy delgada. Encontró que la luz reflejada por un lado era del color amarillo-marrón típico del oro, mientras que la luz transmitida por el otro lado era de un azul verdoso.

La teoría de los colores de Newton integraba y explicaba un enorme abanico de observaciones. Por ejemplo, pudo explicar todas las propiedades esenciales del arco iris, como la mayor luminosidad del cielo debajo de éste, la posición angular y anchura de los arcos iris primario y secundario, y el orden de los colores invertido entre ellos dos. La teoría también le permitió entender por qué los simples telescopios refractores producen imágenes borrosas y con bordes coloreados. Al refractarse los colores de la luz blanca en ángulos ligeramente diferentes, no convergen formando una imagen nítida. Él resolvió el problema inventando un nuevo tipo de telescopio que enfocaba la luz mediante reflexión en espejos en vez de mediante refracción en lentes. De ese modo llevó de inmediato su teoría al terreno de lo práctico, y el mayor rendimiento de su telescopio reflector supuso una confirmación más de su teoría.

Sus predecesores habían asumido que los colores eran el resultado de algún tipo de modificación de la luz blanca “pura”. Luego, sin evidencia alguna que lo apoyase, especularon sobre la naturaleza específica de esa modificación. Descartes había afirmado que la luz era un movimiento de ciertas partículas diminutas, y que la rotación de las partículas era la causa de los colores: las partículas de luz que rotan más deprisa supuestamente se ven rojas, mientras que las que rotan más despacio se ven azules. El eminente científico inglés Robert Hooke propuso una teoría distinta. Supuso que la luz blanca era un pulso de onda simétrico, y dijo que los colores son el resultado de una distorsión en el pulso. Según su teoría, la luz es roja cuando la parte delantera del pulso de la onda es mayor en amplitud que la parte trasera, y que es azul cuando ocurre lo contrario. Asumió que todos los demás colores eran una mezcla de rojo y azul.

Newton veía estas “teorías” por lo que realmente eran: ficciones basadas solamente en la fértil imaginación de sus creadores. Rechazó ese método especulativo y refutó sus premisas básicas. Demostró que los colores no son el resultado de ninguna modificación de la luz blanca, sino que son sus componentes básicos.

El aspecto más radical de la teoría de Newton no consistía en lo que dijo, sino en lo que se abstuvo de decir. Él presentó sus resultados y conclusiones sin ninguna idea a-priori en lo que refiere a la naturaleza fundamental de la luz y los colores. Razonó hasta donde las evidencias disponibles pudieron llevarlo, y ni un paso más. Muchos científicos reaccionaron a la publicación original de Newton con sorpresa y confusión, al estar acostumbrados al método cartesiano de deducir conclusiones a partir de “primeras causas” imaginadas. Y aquí tenían una publicación sobre los colores en la que el autor simplemente ignoraba la controversia sobre si los colores eran partículas en rotación, pulsos de onda distorsionados, o algo diferente. ‘¿Faltará alguna página?’, se preguntaban.

Pero en vez de omitir alguna cosa, lo que Newton había hecho era incluir lo que había sido omitido en el método de Descartes: la objetividad. Newton indujo sus conclusiones a partir de los resultados observados en sus experimentos; no las dedujo a partir de “intuiciones”. Él llevó mucho cuidado al identificar el estatus epistemológico de sus ideas, y al distinguir con claridad las que consideraba demostradas de las que estaban basadas en evidencia no concluyente. Conocía de sobra el enorme esfuerzo que requiere el descubrir verdades básicas sobre la naturaleza, y no tenía paciencia para quienes intentaban buscar atajos en ese proceso mediante especulaciones vacías.

Newton dijo una vez que él “no formulaba hipótesis”, una afirmación que se volvió a la vez famosa y ampliamente malentendida. Explicando su terminología, escribió: “La palabra ‘hipótesis’ la empleo aquí para referirme exclusivamente a una proposición que no es ni un fenómeno ni se deduce de algún fenómeno, sino que se asume o se supone sin prueba experimental alguna.”16 Por desgracia, esto no dejó del todo claro lo que quería decir. Él no pretendía rechazar de pleno todas las hipótesis que careciesen de una prueba experimental completa; realmente, utilizó el término ‘hipótesis’ para referirse a una afirmación arbitraria, es decir, a una afirmación que no se apoya en ninguna evidencia observacional.

Newton comprendió que aceptar una idea arbitraria—incluso como una mera posibilidad que merece consideración—socava todo el conocimiento que uno posee. Es imposible establecer cualquier verdad si uno considera válido el proceso de sacarse de la manga “posibilidades” contrarias. Tal como le explicó en una carta a un colega:

Si cualquiera puede ofrecer conjeturas sobre la verdad de las cosas a partir de la mera posibilidad de unas hipótesis, no veo la forma en que pueda determinarse nada con certeza en ninguna ciencia; puesto que siempre podrá concebirse otro conjunto de hipótesis que parezca plantear nuevas dificultades. Por tanto juzgué que uno debe abstenerse de contemplar hipótesis, como uno se abstiene de hacer argumentaciones impropias….17 (Énfasis añadido.)

Aquí, a la vez que defendía su teoría de los colores, introdujo un nuevo principio fundamental de la lógica inductiva. Es la respuesta apropiada a la mayoría de las afirmaciones que hicieron Descartes y los suyos, la única respuesta que merecen: la de desestimarlas rotundamente. Newton observó que intentar refutar una afirmación arbitraria es un error fundamental. Para comprender la naturaleza del mundo, el pensamiento de uno debe comenzar con la información que ha recibido del mundo, es decir, con datos sensoriales. Pero una idea arbitraria está desconectada de esos datos; considerarla es abandonar el ámbito de la realidad y entrar en el mundo de la fantasía. Ningún conocimiento puede obtenerse a partir de esas digresiones. Uno no puede ni siquiera alcanzar el objetivo erróneo de demostrar que una idea arbitraria es falsa, porque estas afirmaciones siempre pueden escudarse tras otras afirmaciones arbitrarias. Al entrar en el mundo de la fantasía, uno se ve atrapado en una red cada vez mayor de conjeturas sin fundamento, y sólo hay un modo de escapar: desestimar todas esas afirmaciones por ser no cognitivas y no merecer atención.

Los sentidos nos proporcionan el único contacto directo con la realidad. Sin ese contacto, puede haber acción cerebral pero no hay pensamiento. Las elucubraciones mentales de la física cartesiana son como las ruedas girando de un coche suspendido en el aire: las ruedas se mueven, pero no hay posibilidad alguna de que lleven a algún sitio. En cuanto a los científicos que están de acuerdo con Platón y Descartes, que rechazan la carretera porque es sucia y ruidosa y porque deshonra a sus elevados neumáticos, ellos son quienes han perdido toda posibilidad de llegar alguna vez a alguna parte.

La teoría de los colores de Newton fue recibida con hostilidad por esos científicos. Al principio Newton repitió pacientemente cómo llevar a cabo los experimentos y qué conclusiones podían inferirse con certeza a partir de los resultados. Al final estableció una ley epistemológica en su intento de adelantarse a cualquier discusión que no estuviera basada en hechos observados. Declaró que cualquier crítica válida a su teoría debía caer bajo una de dos categorías: o argumentar que sus observaciones eran insuficientes para apoyar sus conclusiones, o citar observaciones adicionales que contradecían sus conclusiones. Lo expresó así:

La teoría que yo presento quedó demostrada, no porque yo infiriera que es así porque no es de otra manera—es decir, no deduciéndola sólo a partir de una refutación de suposiciones contrarias— sino porque la derivé de experimentos conclusivos positiva y directamente….Y por tanto me gustaría que se eliminasen de las objeciones todas las hipótesis o cualesquiera fundamentos que no sean estos dos: o mostrar la insuficiencia de los experimentos para dar respuesta a estas preguntas o para demostrar cualquier otra parte de mi teoría,…; o producir experimentos diferentes que me contradigan directamente, si hay alguno que lo hiciera.18

Galileo había luchado contra la Iglesia para poder expulsar a la fe religiosa del ámbito de la ciencia; Newton luchó contra sus colegas científicos en un intento por expulsar a lo arbitrario como tal, incluyendo las afirmaciones seculares.19 Apelar a la fe es exigir que las ideas se acepten basándose en la emoción en vez de en la evidencia, y por lo tanto es un tipo de arbitrariedad. Poco importa que la idea esté en la Biblia, por ejemplo, si a uno le piden que acepte que Josué alargó el día ordenándole al Sol que se quedase inmóvil, o si a uno le piden que acepte que las partículas de luz adquieren su color cuando rotan. No hay evidencia para ninguna de esas cosas, y considerar cualquiera de ellas supone rechazar el único medio de conocimiento del que dispone la mente: el de razonar a partir de hechos observados.

Aunque Galileo fue pionero en el método experimental, Newton fue quien estableció el papel fundamental de ese método en la física moderna. Como señalan dos historiadores de la ciencia, “Con Newton, la experimentación se convirtió tanto en un principio como en un método, y él llegó a ver el fundamento experimental de su filosofía como el rasgo característico que la separaba de las demás filosofías naturales y la hacía superior a ellas.”20 Su trabajo experimental en óptica sirve como modelo de cómo debe desarrollarse la ciencia física.

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Fuente: El Salto Lógico – La inducción en física, por David Harriman.  Traducción: Juan Manuel Muñoz y Domingo García

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Hola Domingo y J. M. Muñoz,
Mis congratulaciones por la publicación de su traducción al español del libro de David Harriman y Leonard Peikoff: El Salto Lógico – La inducción en física.
~ David

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