Hi ha partícules de llum?

Segons va quedar establert a la sessió anterior, a partir d’Alhazen, al segle X, queda clar que la llum surt dels objectes i arriba a l’ull, impressionant la retina i permetent la visió. La interpretació de la visió com els raigs que surten de l’ull i arriben als objectes queda relegada a una hipòtesi que va ser utilitzada per els antics grecs, com Euclides, els postulats del qual encara són vàlids en bona part. La naturalesa de la llum continua però sent discutida. D’una banda, l’autoritat d’Aristòtil interpretant la llum com una qualitat del medi transparent i d’altra, la consideració de la llum com un feix de partícules, basada en la formació de la imatge a la retina de l’ull, seguint la interpretació d’Epicur i els atomistes.

A partir del segle XVII, la nova ciència, que utilitza el mètode experimental per comprovar la validesa de les teories científiques, revifa la discussió de si la llum està formada o no per partícules. Una nova teoria, la teoria ondulatòria, comença a obrir-se pas. En aquesta sessió tractarem sobretot de la teoria que diu que la llum està formada per partícules. Newton va ser el principal representant i l’artífex de que aquesta fos la teoria predominant durant tot el segle XVIII.

Johannes Kepler (astrònom i matemàtic alemany, Weil der Stadt, 1571 – Regesburg 1630), és un dels representants de la revolució científica dels segles XVI i XVII. En la seva obra «Ad Vitellionem paralipomena», Kepler exposa les seves idees sobre la naturalesa de la llum: la llum flueix en totes direccions des de tots els punts de la superfície d’un cos, no té matèria, pes ni resistència i es propaga per raigs. Per Kepler, la llum és una entitat bidimensional, el que explica que no tingui matèria. Experimentant amb la càmera fosca va interpretar que els raigs procedents d’un objecte passen a través del cristal·lí i formen una imatge a la retina. Va descobrir que la visió borrosa és deguda a que la imatge no es forma exactament a la retina, sinó davant o darrera; les lents correctores modifiquen el camí del raig de llum per formar la imatge al lloc correcte. Durant segles les lents havien servit a la gent per veure millor, però Kepler va ser el primer en donar la interpretació correcta del seu paper. Tot i la impecable demostració matemàtica de Kepler, la seva explicació de la formació de la imatge a la retina va ser difícil de creure, ja que la gent no podia entendre que es formés invertida si es veu dreta.
(1)

Pierre Gassendi (filòsof i científic francès, Champtercier, Provence, 1592 – París, 1655) segueix la teoria d’Epicur i els atomistes, segons la qual, el feix de partícules de llum arriba a l’ull on és rebut per l’aparell intern de visió. Gassendi coneixia la teoria de Kepler de formació de la imatge a la retina i estava d’acord amb ella. Li preocupava però el fet que la imatge fos invertida i pensava que, igual que un mirall torna la imatge simètrica, la retina tornaria al cervell la imatge dreta a partir de la invertida.
(2)

Isaac Newton, físic i matemàtic anglès (Woolsthorpe, Lincolnshire, England, 1642 – Kensington, Middlesex, England, 1726) és reconegut com un dels més importants físics de tots els temps. Ens referírem aquí únicament als seus treballs relacionats amb la llum.

Dispersió de la llum en el prisma òptic. By Dispersive_Prism_Illustration_by_Spigget.jpg: Spigget derivative work: Cepheiden (Dispersive_Prism_Illustration_by_Spigget.jpg) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons

Dispersió de la llum en el prisma òptic.
By Dispersive_Prism_Illustration_by_Spigget.jpg: Spigget derivative work: Cepheiden (Dispersive_Prism_Illustration_by_Spigget.jpg) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons

Les idees de Newton sobre la llum es remunten a 1672, quan explicava els seus experiments als membres de la Royal Society de Londres. Utilitzant un prisma òptic triangular, Newton demostrà que la llum blanca està composada per raigs de diferents colors, que quan travessen el prisma se separen. Argumentà que la llum blanca és una mescla de diferents tipus de partícules que el prisma és capaç de separar segons el seu «índex de refracció». Ara sabem que l’índex de refracció és una característica del medi que depèn del color. Per Newton el color de la llum està relacionat amb la grandària de les partícules que formen el raig.

Aquesta explicació xocava amb la interpretació que es feia fins aleshores: es deia que la llum es «corrompia» quan passava a través del cristall i quan més distància passava, més es corrompia i més colors apareixien. Newton va posar un segon prisma triangular invertit en el camí dels raigs de color que sortien del primer prisma i va comprovar com la llum sortia blanca del segon prisma. Per tant, no podia ser vàlida la teoria de la «corrupció», ja que el segon prisma no l’havia produït.

El seu coneixement de la separació dels colors de la llum en el prisma li va fer comprendre un fenomen que es produïa en els telescopis construïts amb lents, com els dissenyats per Galileo i Kepler: l’aberració cromàtica. Va pensar que, tal com es veia en el prisma, era inevitable que la llum que travessés la part més externa de la lent es descompongués en colors. Per evitar aquest problema Newton va dissenyar el telescopi reflector, que porta el seu nom, basat en un mirall que recull la llum llunyana.

El 1675, en una carta dirigida a la Royal Society diu que «la llum no és ni èter, ni el seu moviment vibratori, sinó alguna cosa d’un tipus diferent propagada a partir de cossos lúcids». Aquesta idea, juntament amb la interpretació de les diferències de colors en base a l’existència de partícules de llum de diferents grandàries i l’explicació qualitativa de la polarització, deixava clara la teoria de la llum de Newton com un corrent de minúscules partícules.

Newton publicà el 1704, quan tenia 61 anys, la versió final de la seva teoria en el llibre Òptica. Va esperar la mort de Robert Hooke, (Freshwater, Illa de Wight, England, 1635 – London, England, 1703), que s’havia mostrat molt crític amb la teoria corpuscular de la llum. Newton coneixia la teoria ondulatòria de Hooke i Christian Huygens (La Haya, Països Baixos, 1629 – 1695) i la considerava falsa perquè pensava que les ones de llum no es podrien propagar en línia recta «sense una variació contínua i erràtica dins del medi, on finalment s’extingirien« (5).

El físic francès Étienne-Louis Malus creà el 1810 la teoria matemàtica de la polarització i el també francès, Jean-Baptiste Biot mostrà el 1812 que aquesta teoria explicava tots els fenòmens de la polarització de la llum. Això va ser considerat, per els partidaris de la teoria corpuscular, la prova definitiva de la seva validesa.
(3) (4) (5) (9)

Què es pot respondre a la pregunta del títol?
Que la llum està formada per partícules va ser la hipòtesi de Newton per explicar, per exemple, els colors. No era una teoria nova, perquè havia estat ja la teoria dels atomistes grecs i va estar, ja al segle XVII en contraposició amb la teoria ondulatòria per la que advocaven Robert Hooke, físic anglès i Christian Huygens, físic holandès i de la que tractarà la propera sessió. De fet, almenys fins el segle XX va continuar la discussió, si es que es pot considerar acabada amb la consolidació de la teoria quàntica. Però d’això també es parlarà en una altra sessió.

La velocitat de la llum
La velocitat a la que es transmetia la llum era una altra de les característiques discutides de la llum. Els pensadors grecs (Aristòtil, Euclides, . . ) opinaven que no havia de ser infinita, encara que hauria de ser molt gran. És clar que no tenien cap possibilitat de mesurar-la. En temps de Galileu, al començament del segle XVII, alguns científics opinaven que la transmissió de la llum havia de ser instantània i, per sortir de dubtes, el mateix Galileu es va proposar mesurar-la. La primera mesura que va donar un resultat però, va ser la de Röemer, el 1676.

Galileu Galilei (Pisa, 1564 – 1642), considerat com l’iniciador de la ciència moderna, havia mesurat la velocitat del so a l’aire per un procediment que ara és ben conegut: Situant un observador a una certa distància d’un canó (3,5 km va ser la distància emprada per Galileu), quan aquest dispara, es veu la deflagració de la pólvora, pràcticament en el mateix instant en que es produeix i, en canvi, se sent el dispar uns segons més tard. Dividint la distància a la que està situat el canó per el temps que tarda en arribar el so, es pot calcular la velocitat del so a l’aire. Galileu va obtenir que la velocitat del so a l’aire era de 350 m/s.

Galileo Galilei, «Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, Tolemaico, e Copernicano». Imatge Wikimedia Commons.

Galileo Galilei, «Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, Tolemaico, e Copernicano». Imatge Wikimedia Commons.

Després va intentar un mètode similar per la llum. Una persona se situa al cim d’una muntanya amb una llum. Una segona persona se situa igualment amb una altra llum en un altre cim, situat a 2 o 3 milles del primer. Inicialment les dues llums estan ocultes. Comença l’experiència quan la primera persona descobreix la seva llum; la segona persona, quan veu la primera llum, descobreix la seva. La primera persona veu ara la segona llum. Repetint l’experiència moltes vegades per minimitzar l’error d’operació, el primer operador hauria de poder decidir si hi ha un retard entre que ell descobreix la seva llum i veu la segona. Si no hagués retard, es podria dir que la llum es transmet instantàniament. Si hagués un retard, dividint el doble de la distància entre els cims, per el temps mesurat de retard, s’obtindria la velocitat de la llum. Galileu, en la seva obra «Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, Tolemaico, e Copernicano», explica que ha fet l’experiència només amb una distància entre cims d’una milla i no ha pogut decidir si l’aparició de la llum era o no instantània. El cas és que, sabem ara, difícilment hauria pogut mesurar el temps, encara que la distància hagués estat molt superior.
(6) (7)

Ole Roemer (Arhus, 1644 – Copenhagen, 1710), astrònom danès, va fer el 1676, 34 anys després de la mort de Galileu, la primera determinació de la velocitat de la llum. Va utilitzar un mètode astronòmic, que li podia donar una distància de transmissió adequada per la gran velocitat que sospitava que tenia la llum.

ole_roemer_measurement.jpg Illustration_from_1676_article_on_Ole_Rømer's_measurement_of_the_speed_of_light. Imatge Wikimedia Commons.

Mesures d’Ole Roemer. Illustration from 1676 article on Ole Rømer’s measurement of the speed of light. Imatge Wikimedia Commons.

Roemer va ser nomenat membre de l’Acadèmia de Ciències de França i Giovanni Cassini, director de l’observatori de París, l’encarregà la comprovació de les taules d’eclipsis dels satèl·lits de Júpiter, que havia elaborat el mateix Cassini. Realitzant les observacions al llarg de tot l’any, Roemer va comprovar que el moment de les ocultacions d’Io, el satèl·lit més intern de Júpiter, es retardava fins a 10 minuts, entre les dues posicions de la Terra més a prop i més lluny de Júpiter. Durant la resta de l’any, el moment de l’ocultació d’Io tornava a recuperar el temps inicial. Roemer publicà el seu treball concloent que el retard havia de ser degut a la velocitat finita de la llum de la que, per aquest procediment i per primera vegada, es podia tenir una mesura. Roemer no va calcular en el seu treball aquesta velocitat, però de les seves mesures s’obté el valor de 215.000 km/s, que dona una bona aproximació almenys en l’ordre de magnitud. Cal dir que la conclusió de Roemer no va agradar a Cassini i la rivalitat que es va crear entre ells, va fer tornar a Dinamarca a Roemer, on sí li va ser reconegut el seu descobriment.
(3) (8)

Fonts d’informació utilitzades

(1) Di Liscia, Daniel A., “Johannes Kepler”, The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Summer 2015 Edition), Edward N. Zalta (ed.). http://plato.stanford.edu/entries/kepler/#OptMetLig
(2) Fisher, Saul, “Pierre Gassendi”, The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Spring 2014 Edition), Edward N. Zalta (ed.). http://plato.stanford.edu/entries/gassendi/
(3) 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
(4) M. Beech, «The Physics of Invisibility: A Story of Light and Deception». Springer Science and Business Media. 2012.
(5) Isaac Newton, Opticks, William Innys at the West-End of St. Paul’s., 1730. Descàrrega lliure en format pdf: https://books.google.es/books?id=GnAFAAAAQAAJ&redir_esc=y
(
6) Galileo Galilei, «Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, Tolemaico, e Copernicano». Florència. 1632.
(
7) Museo virtual de la Ciencia. CSIC. http://museovirtual.csic.es/salas/luz/luz3.htm
(8) Museo virtual de la Ciencia. CSIC. http://museovirtual.csic.es/salas/luz/luz13.htm(9) https://en.wikipedia.org/wiki/Light#Wave_theory

 Audio de la xerrada

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
“Sopa d’estrelles” del 21 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.