Raig de llum o raig de l’ull?

En aquest any internacional de la llum, dedicarem unes sessions a parlar sobre la naturalesa de la llum, controvertida des de l’antiguitat fins als temps actuals. Avui parlarem d’una vella discussió que ve des dels antics grecs i que no va ser resolta fins almenys l’any 1000: la visió es produeix perquè un raig de llum surt de l’ull i arriba a l’objecte, o perquè els objectes envien el raig de llum fins a l’ull? Discutirem les teories de la llum que es van succeir des dels antics grecs, segle V aC, fins el segle X, a través dels principals protagonistes.

Empèdocles, gravat del segle XVII. Imatge Wikimedia Commons

Empèdocles, gravat del segle XVII. Imatge Wikimedia Commons

Empèdocles (filòsof grec, Agrigent, 492 aC – 432 aC), molt conegut perquè postulà la teoria dels quatre elements, segons la qual tot està format per aigua, aire, foc i terra. Es va fer ressò de la llegenda que diu que Afrodita va encendre el foc en l’ull per tal de fer possible la visió a través d’un raig que sortia del mateix l’ull. Empèdocles ja era conscient de que les coses podien ser una mica més complexes, ja que, si això fos cert, es podria veure en la obscuritat. Així que va afegir que hauria d’haver alguna mena d’interacció entre el raig que surt de l’ull i un altre que prové dels objectes, ja que hi ha objectes que emeten raigs de llum, com el Sol.
(1) (2) (4)

Aristòtil (filòsof grec, Estagira, 384 aC – Eubea, 322 aC). En la seva obra «De Anima», Aristòtil, explica quin paper juguen en la visió, el medi transparent, el color i la llum. Parteix de la idea de la transparència, com allò que no és visible en si mateix, sinó a través del color, que és aliè al medi transparent. Interpreta la llum com una qualitat de la transparència. La llum no és el foc ni és cap cos, ni tampoc una emanació d’un cos, ja que, si fos una emanació, seria alguna classe de cos. La llum és la presència d’aquesta qualitat en el medi transparent. Es pot pensar que aquesta idea és precursora de la naturalesa ondulatòria de la llum, enunciada al segle XVII.
Respecte la velocitat de la llum, Aristòtil creu que ha de ser finita, encara que molt gran, ja que es veu que emplena immediatament tot el camp de visió «de l’extrem oriental a l’occidental», diu en el seu llibre «De Anima».
(3) (4)

Epicur (filòsof grec, Samos, 341 aC – Atenes, 270 aC). Coneixia que en la reflexió de la llum, l’angle d’incidència és igual que l’angle de reflexió. De la refracció, va veure que el raig de llum canvia de direcció quan travessa la superfície de separació de dos medis, el que fa que una vareta parcialment submergida en aigua es vegi trencada. Creu que és dels objectes d’on surten els raigs de llum que arriben als ulls i permeten la visió. Formava part de l’escola atomista i, per tant, pensava que aquests raigs estarien formats per «àtoms» o partícules de llum, igual que totes les coses estan formats per àtoms, segons la teoria atòmica iniciada per els filòsofs anteriors, Demòcrit i Leucip.
(5)

Euclides (matemàtic grec, 325 – 265 aC). D’una manera similar a com va postular els principis de la geometria en el llibre «Els Elements», en el seu llibre «Òptica», Euclides va postular els principis de l’òptica:
1. Els raigs rectilinis procedents dels ulls s’estenen per l’espai indefinidament.
2. La figura continguda en la visió és un con en el que el vèrtex és a l’ull i la base al límit dels objectes vistos.
3. Els objectes sobre els que cauen els raigs es poden veure i sobre els que no cauen no es poden veure.
4.  Els objectes que són vistos dins un gran angle, semblen grans, els objectes que són vistos dins un angle petit, semblen petits i els objectes que es veuen dins el mateix angle semblen iguals.
5. Els objectes vistos dins un rang visual més alt, semblen més alts i aquells vistos dins un rang visual més baix, semblen més baixos.
6. Igualment, els objectes vistos dins d’un rang visual a la dreta, apareixen a la dreta i els que són vistos dins d’un rang visual a la esquerra, apareixen a la esquerra.
7. Els objectes vistos sota més angles són vistos més clarament.

Segons Euclides, els raigs visuals són discrets, però percebem una imatge contínua d’un objecte, perquè els ulls i els raigs visuals es mouen molt ràpidament. Els objectes petits poden no ser vistos degut al caràcter discret dels raigs de visió. Així encara que una agulla caigui dins del camp de visió, podria no ser vista. Quan més a prop és un objecte, més nítid es pot veure ja que, segons el postulat 7, més raigs cauran sobre ell.
Diu també que la velocitat de la llum ha de ser finita, però molt gran, ja que, quan mirem les estrelles llunyanes, si tanquem els ulls i els tornem a obrir, tornen a aparèixer a l’instant.
(6) (7)

Heró, (matemàtic i enginyer, Alexandria, 10 – 70). Va viure a Alexandria, quan Egipte era una província romana. En el seu llibre «Catoptric», va enunciar el principi del «camí més curt», que és el que segueix la llum quan es propaga en un medi. Aquest enunciat va ser formalitzat per Pierre de Fermat, matemàtic francès, mil sis-cents anys més tard.

Alhazen, com era conegut a Occident, en àrab, Ibn al-Hàytham, (Bàssora, 965 – el Caire 1040, filòsof, físic i matemàtic). Es considerat el primer físic teòric, precursor del mètode científic, 500 anys abans dels científics renaixentistes. A la seva obra «Kitab al Manazir», que vol dir «Llibre d’Òptica», dona compte de les tres teories sobre la naturalesa de la llum i la visió, conegudes a l’Antiguitat:
– la de l’emissió de raigs per els ulls, sostinguda per Euclides,
– la de la recepció dels raigs emesos o reflectits per els cossos en totes direccions d’Epicur,
– una síntesi de les dues anteriors deguda a Empèdocles.

Alhazen en el bitllet de 10 dinars iraquí

Alhazen en el bitllet de 10 dinars iraquí. Imatge Wikimedia Commons.

Alhazen va defensar la 2a teoria, la que va d’acord amb el coneixement actual, va fer descobriments i va aportar idees, algunes de les quals es van desenvolupar molt després:
– Experimentant amb la càmera fosca, aparell precursor de les càmeres fotogràfiques, va concloure que la imatge dels objectes que veiem es forma en el cristal·lí de l’ull, ja que, pensava ell, si es formés a la retina, s’hauria de veure invertida, tal com ell comprovava amb la càmera fosca.
– Va descobrir la permanència de la imatge a la retina, el que li va portar a pensar en la naturalesa corpuscular de la llum, 600 anys abans que Newton.
– Va entendre que la llum de la Lluna procedeix del Sol.
– Va ampliar el principi del «camí més curt» de la llum d’Heró al cas de dos medis (refracció).
– Va estudiar la reflexió i la refracció. Va descobrir les lleis de la refracció que Snell, astrònom i matemàtic danès, formalitzaria matemàticament 500 anys després. L’estudi de la refracció el va portar a fer la interpretació correcta del diàmetre aparent del Sol i la Lluna quan es troben a prop de l’horitzó. Sobre el seu treball es van assentar els principis teòrics de la construcció de lents per corregir la presbícia des del segle XIII.
– Els seus estudis li ven fer concloure que la velocitat de la llum era finita, encara que molt gran.
(2)

Des d’ Alhacen, no hi ha aportacions importants a les teories de la llum fins a Kepler, astrònom i matemàtic alemany, de principis del segle XVII, però això el tractarem en una altra sessió.

«Miralls d'Arquímedes incendiant vaixells romans»

«Miralls d’Arquímedes incendiant vaixells romans». Pintura de Giulio Parigi. Imatge Wikimedia Commons.

La discussió sobre si la llum sortia de l’ull o dels objectes va quedar pràcticament resolta amb Alhazen. La discussió però, no va ser obstacle per que els antics grecs i els àrabs, fabriquessin lents i miralls i els utilitzessin. Com exemple ens podem referir a Arquimedes (físic, enginyer, astrònom, Siracusa, 287 aC – 212 aC) i els seus miralls, que segons la tradició, van incendiar els vaixells romans en el setge de Siracusa (213 – 211 aC). També a Alhazen, que va fabricar lents i miralls per estudiar la reflexió, la refracció i la formació d’imatges a la càmera obscura.

Fonts d’informació utilitzades
(1) J J O’Connor and E F Robertson, «Light through the ages: Ancient Greece to Maxwell», University of St. Andrews. Agost 2002.
http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/HistTopics/Light_1.html
(2) Juan Vernet. «Lo que Europa debe al Islam de España». Quaderns Crema S.A. Barcelona. 1999.
(3) http://www.superflumina.org/PDF_files/light_aristotle_st%20thomas.pdf
(4) S. Sambursky. «Philoponus’ interpretation of Aristotle’s theory of light». University of Chicago Press. http://www.jstor.org/stable/301645?seq=1#page_scan_tab_contents
(5) http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/23/htm/sec_7.htm
(6) Harry Edwin Burton, L’òptica d’Euclides. Journal of the Optical Society of America, Vol 35, number 5, maig 1943. http://philomatica.org/wp-content/uploads/2013/01/Optics-of-Euclid.pdf
(7) Ben Bova, «Historia de la luz». Ed. Espasa Fórum. 2004.
(8) https://en.wikipedia.org/wiki/Hero_of_Alexandria

 Audio de la xerrada

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
“Sopa d’estrelles” del 7 d’octubre de 2015.

Aquesta entrada ha esta publicada en física, llum. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Els comentaris estan tancats.