La historia del término fotón

Dibujo20140103 troland paper 1917 on experimental psychology - origin term photon

Hoy en día todo el mundo asocia el término fotón al bosón gauge del campo electromagnético, sin embargo, su uso no fue generalizado hasta después de la Segunda Guerra Mundial. El término fotón fue usado por los físicos L.T. Troland (1889-1932) en 1916, J. Joly (1857-1933) en 1921 y G.N. Lewis (1875-1946) en 1926 con tres significados diferentes, ninguno de ellos como sinónimo del cuanto de luz que A. Einstein (1879-1955) introdujo en 1905 para explicar el efecto fotoeléctrico. Hoy en día, dichos significados del término fotón han sido olvidados. Nos los recuerda el danés Helge Kragh, “Photon: New light on an old name,” arXiv:1401.0293 [physics.hist-ph].

El cuanto de luz fue introducido por Einstein en su famoso artículo de 1905 publicado en Annalen der Physik que le llevó a obtener el Premio Nobel de Física (“Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt,” Annalen der Physik 17: 132-148, Mar 1905; pdf gratis). En dicho artículo propuso que la radiación electromagnética monocromática de frecuencia ν está compuesta de “cuantos de energía” dados por E = hν. Gracias a ello pudo explicar el efecto fotoeléctrico y la regla de Stokes de la fotoluminiscencia. El cuanto de energía fue tratado como una partícula cuando Einstein en 1917 le asignó un momento lineal p = hν/c. Por ello, expertos en historia de la física como Abraham Pais afirman que Einstein introdujo el concepto de fotón en 1917.

Dibujo20140103 the rise of the photon - papers 1924-1980 with photon in title

Esta figura muestra el número de artículos científicos que utilizan el término fotón (o fotones) en su título entre 1924 y 1980 (7325 artículos según el Web of Science de Thomson/Reuters). Hay artículos anteriores a 1927 porque en muchos artículos se ha traducido el término alemán Lichtquanten al inglés como fotón.

La palabra fotón entró el vocabulario de los físicos gracias al trabajo del físicoquímico Gilbert Newton Lewis (Universidad de California, Berkeley), famoso por la representación de Lewis (o diagramas de puntos) para átomos y moléculas. Lewis desarrolló una nueva teoría para la radiación luminosa basada en la simetría de los fenómenos de emisión y absorción de luz por átomos. Cuando un átomo emite un cuanto de luz y reduce su energía en una cantidad hν, una partícula (“átomo de luz”) es emitido con un impulso hν/c y una masa hν/c², que viaja por el espacio en línea recta hasta alcanzar otro átomo que lo absorbe e incrementa su energía en dicha cantidad (Gilbert N. Lewis, “The Nature of Light,” PNAS 12: 22-29, 01 Jan 1926 [PDF gratis]). Lewis llamó fotones a sus “átomos de luz” en un artículo publicado en Nature que envío el 29 de octubre de 1926 (Gilbert N. Lewis, “The Conservation of Photons,” Nature 118: 874-875, 18 Dec 1926).

La teoría de Lewis era incorrecta (él mismo la abandonó en 1927) y fue olvidada. Sin embargo, en la Quinta Conferencia Solvay de octubre 1927 varios ponentes (H.A. Lorentz, Louis de Broglie, Paul Dirac, Léon Brillouin, Paul Ehrenfest y Arthur Compton) utilizaron el término fotón en sus charlas para referirse al cuanto de luz de Einstein. De hecho, el libro de Actas de esta conferencia, aparecido en 1928, incluye el término fotón en su título (“Électrons et Photons. Rapports et Discussions de Cinquième Conseil de Physique, edited by Institut International de Physique Solvay”). Se cree que Compton fue el gran promotor del uso generalizado de este término en dicha conferencia; de hecho, en su artículo en el libro de Actas afirma que el origen del nombre fotón es el artículo en Nature de Lewis.

En el mundo de la divulgación científica, el término fotón fue utilizado por primera vez por Compton en un artículo en el número de febrero de 1929 de la revista Scientific American (Arthur H. Compton, “What Things Are Made Of-I,” Scientific American 140: 110-113, Feb 1929). En dicho artículo afirma que los rayos X están hechos de fotones. En la segunda parte del artículo (Arthur H. Compton, “What Things are Made of-II,” Scientific American, 140: 234-236, Mar 1929) va más allá y afirma sin rubor que el universo está hecho de protones, electrones y fotones, siendo los fotones las partículas más numerosas.

Los físicos jóvenes aprendieron el término fotón en los primeros libros de texto sobre mecánica cuántica. En concreto, en uno de los dos primeros que se publicaron en 1928. El libro de George Birtwistle (Univ. Cambridge) usa el término “cuanto de luz” evitando el término fotón, pero Arthur Erich Haas (Univ. Viena) introduce ambos términos y prefiere el segundo. También hizo lo mismo Hermann Weyl en su famoso libro “Gruppentheorie und Quantenmechanik” (“Teoría de Grupos y Mecánica Cuántica”) de 1928.

Dibujo20140105 leonard troland - photograph

Muchos físicos desconocen que el término fotón fue utilizado antes de 1926 en la literatura científica. En 1916, el físico y psicólogo americano Leonard Thompson Troland utilizó el término fotón como unidad de medida para la iluminación que recibe la retina en un artículo que envió el 29 de marzo de dicho año (“On the measurement of visual stimulation intensities,” Journal of Experimental Psychology 2: 1-33, Feb 1917). Troland realizó mediciones fotométricas de la luz que incide en el ojo humano e introdujo el término fotón como una unidad para la intensidad del estímulo fisiológico.

En la actualidad la sensibilidad a la luz del ojo humano no se mide con el fotón de Troland sino con el lux del Sistema Internacional de Unidades, que equivale a un lumen por metro cuadrado (1 lx = 1 lm/m² = 1 cd·sr/m²). El término fotón tuvo poco éxito y en óptica fisiológica, tras la trágica y prematura muerte de Troland en 1932 al caer desde la cima del Monte Wilson en California, se utiliza en su honor el término troland como unidad (1 Td = 1 cd/m² × mm² = 1 μcd).

¿Cómo le llamaba Troland a los “cuanto de luz” de Einstein? El término aparece en el libro de divulgación que escribió en 1917 junto a Daniel F. Comstock (físico del MIT) sobre la teoría moderna de los átomos, la electricidad y la radiación (“The Nature of Matter and Electricity: An Outline of Modern Views,” New York: Van Nostrand Co.). En las páginas 182-189, Troland discute “la doctrina moderna sobre los cuantos de luz.” Por tanto, siguió la tradición de Einstein.

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El físico irlandés John Joly, profesor de geología y mineralogía en el Trinity College de Dublín, famoso por su estimación geológica de la edad de la Tierra en 1899 (estimó que era superior a 100 millones de años) y por sus trabajos sobre la radioactividad (en colaboración con Ernest Rutherford); un cráter de Marte se llama Joly desde 1973 en su honor. En 1921 desarrolló una teoría de la visión del color que llamó con el sugerente nombre de “teoría cuántica de la visión” porque usaba el efecto fotoeléctrico para explicar la estimulación de la luz en la retina (“A quantum theory of vision,” Philosophical Magazine 41: 289-304, 1921; “A Quantum Theory of Vision,” Nature 106: 827, 24 Feb 1921).

La teoría de Joly afirmaba que los cuantos de luz incidían sobre los electrones en las fibras visuales de la retina descargando una cierta cantidad de energía que era transmitida hasta la corteza del cerebro, donde daba lugar a la sensación de luz. Joly llamó “fotón” (φ) a la unidad de estímulo de luz o de sensibilidad a la luz de una sola fibra visual. En su teoría, la luz de color blanco era causada por nueve fotones (9φ), estando formada por la luz de color amarillo (5φ) y su complementaria la luz de color azul (4φ); la luz amarilla estaba formada por luz roja (2φ) y luz verde (3φ). Como es obvio, las ideas de Joly son completamente erróneas y su uso del término fotón no tiene nada que ver con los “cuantos de luz” de Einstein.

En resumen, muchos nombres de conceptos físicos tienen una historia detrás de bambalinas que merece la pena recordar. El término fotón que nació con Troland, Joly y Lewis, se popularizó tras la Quinta Conferencia Solvay de 1927 gracias a Compton. No se sabe si a Einstein le disgustaba el nombre fotón, pero lo cierto es que nunca lo utilizó por escrito en ningún artículo o libro (siempre prefirió usar “cuanto de luz”).

Coda final. Esta entrada participa en la XLVIII Edición del Carnaval de la Física albergada por La Aventura de la Ciencia de Daniel Martín Reina (@monzonete). El tema hilo conductor de la edición será Sir Isaac Newton.


3 Comentarios

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Carlos Reyes

Con este artículo uno como que se retrotrae a esos tiempos maravillosos del desarrollo de los conocimientos de la física, gracias Francis por tus aportes tan oportunos.

Juan NavarreteJuan Navarrete

Francis: Como siempre, un placer leer tus aportaciones a la divulgaciòn. gracias por compartir y faciltarnos la entrada a estos temas complejos.
saludos

Francisco R. Villatoro

Fer137, he comprobado por curiosidad los casos anteriores a 1910. Todos son errores tipográficos (el OCR de Google también falla) y/o traducciones al español de libros en inglés o alemán en las que se utiliza la palabra fotón, pero se mantiene la fecha original del libro.

Por cierto, al buscar las referencias a Fotón como apellido aparece Potosí (no sé por qué el OCR de Google lo interpreta como Fotón). Y en cuanto al dialecto, cuando miras el texto que el OCR de Google interpreta como fotón resulta ser latín (otro fallo).

Este tipo de estudios requieren un análisis a mano de todas las ocurrencias (por fortuna, antes de 1927, sólo son unas decenas).

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