Les ones de llum

Durant el darrer quart del segle XVII, Robert Hooke i Christiaan Huygens van desenvolupar la teoria ondulatòria de la llum en paral·lel a la teoria corpuscular que propugnava Newton. No van poder evitar però, que triomfés la corpuscular, per l’autoritat científica de Newton i per la manca d’evidències en favor de la ondulatòria. Però a començament del segle XIX, Thomas Young i Augustin Fresnel fan revifar l’acceptació de la teoria ondulatòria amb les experiències d’interferències i difracció. La major precisió en la mesura de la velocitat de la llum feta per Hippolyte Fizeau i la mesura de la llum en l’aigua, feta per Léon Foucault, van fer imposar, a mitjans del segle XIX, la teoria ondulatòria.

Robert Hooke (Freshwater, Illa de Wight, England, 1635 – London, England, 1703), reputat físic, va ser director d’experimentació de la Royal Society de Londres. Famós per les seves polèmiques amb Isaac Newton, li va reclamar la paternitat de la idea de la gravitació universal, ja que s’havia acostat experimentalment a la llei de la inversa del quadrat de la distància, que va ser desenvolupada anys més tard per Newton.

"13 Portrait of Robert Hooke" by Rita Greer, 2004. Licensed under FAL via Commons.

Retrat modern de Robert Hooke (Rita Greer 2004), basat en descripcions de l’època.

Hooke va desenvolupar una «teoria d’impulsos» en la que comparava la transmissió de la llum amb la de les ones per la superfície de l’aigua i va suggerir que els impulsos o vibració de la llum podia ser perpendicular a la direcció de propagació. Criticava la teoria corpuscular de Newton. No creia possible que els cossos lluminosos anessin emetent contínuament i per sempre partícules de llum i tampoc que les diferents partícules dels colors poguessin composar-se per donar un color blanc. Com a conseqüència de les crítiques, Newton va esperar a la mort de Hooke per publicar (1704) la versió definitiva del llibre Òptica en el que recollia tota la seva teoria de la llum. No es conserva cap retrat de Hooke, ja que, quan Newton era president de la Royal Society es va perdre l’únic retrat de Hooke que es tenia.
(1) (2) (3) (4)

Christiaan Huygens, (La Haya, Països Baixos, 1629 – 1695), astrònom, matemàtic i físic holandès. Partidari de la teoria ondulatòria de la llum, enuncià el principi que porta el seu nom, segons el qual cada punt d’un front d’ones de llum pot considerar-se com origen d’una nova font d’ones. Desenvolupà l’aparell matemàtic de la teoria ondulatòria de la llum i el publicà el 1690. Proposava que la llum era emesa en totes direccions com sèries d’ones que es propagaven en un medi anomenat «èter luminífer». La incertesa sobre l’existència d’aquest «èter» es va mantenir fins començament del segle XX, quan es va fer l’experiment de Michelson i Morley, del que parlarem en una propera sessió.

Amb el principi de Huygens s’interpretaven bé fenòmens com la reflexió i la refracció de la llum, que havien estat estudiats ja per Alhazen, al voltant de l’any 1000, segons hem vist en una sessió anterior. Willebrord Snell (1580 – 1626), astrònom i matemàtic holandès havia donat una formulació matemàtica a la llei de la refracció, relacionant els angles d’incidència, de refracció i l’índex de refracció. La interpretació de la refracció segons el principi de Huygens, estava d’acord amb la llei enunciada per Snell, però implicava que la velocitat de la llum havia de ser menor en l’aigua o el vidre que en l’aire, hipòtesi contrària a la de la teoria corpuscular de Newton.

Tot i l’innegable interès de la teoria ondulatòria, va ser la teoria corpuscular la que va dominar durant tot el segle XVIII i s’hauria d’esperar 100 anys per què la teoria ondulatòria tingués noves aportacions i es consolidés d’una forma que va semblar definitiva.
(2) (4) (6) (7)

Dibuix de Thomas Young d'interferències de la doble escletxa. Imatge Wikimedia Commons.

Dibuix de Thomas Young d’interferències de la doble escletxa. Imatge Wikimedia Commons.

Thomas Young. Imatge Wikimedia Commons.

Thomas Young. Imatge Wikimedia Commons.

Thomas Young, (Milverton, Somerset, England, 1773 – London, England, 1829), físic, metge i egiptòleg va introduir el 1801 la idea de la interferència (superposició de dues o més ones) com un fenomen ondulatori, tant al so com a la llum. La imatge mostra una figura d’interferències, dibuixada per el mateix Young, produïdes per dues fonts puntuals. L’observació d’interferències va ser una demostració clara de la naturalesa ondulatòria de la llum. Young va proposar també que els diferents colors eren deguts a diferents longituds d’ona de la llum. Malgrat tot, el treball de Young va ser desconeguts per els científics durant més d’una dècada.
(2) (4) (5)

Augustin Fresnel (Broglie, France, 1788 – Ville d’Avray, France, 1827), enginyer i físic, va fer un gran nombre d’experiments sobre interferències i difracció i va dotar la teoria ondulatòria d’una base matemàtica. Sembla ser que no coneixia els treballs de Huygens o Young i que va elaborar la seva pròpia teoria. Va estudiar el patró de difracció format a l’ombra que produeix un petit objecte posat al mig d’un feix de llum i va desenvolupar el model matemàtic de difracció.

"Augustin Fresnel". Licensed under Public Domain via Commons

“Augustin Fresnel”. Licensed under Public Domain via Commons

El 1817 l’Acadèmia Francesa de Ciències va proposar el Gran Premi de 1819 per la teoria matemàtica que expliqués la difracció. Fresnel va presentar el seu treball al comitè del Premi, presidit per François Aragó (nascut a prop de Perpinyà) i del que formaven part Simeon Poisson, Biot i Laplace. El comitè era, més aviat, partidari de la teoria corpuscular de la llum, però Poisson va quedar fascinat per el model matemàtic de Fresnel. En un intent de posar a prova la teoria de Fresnel, Poisson va fer veure que aquesta predeia l’existència d’un punt brillant en el centre de la figura de difracció produïda per un disc opac, cosa que li semblava un contradicció. Aragó va demanar la comprovació d’aquest fet i Fresnel va ser capaç de mostrar experimentalment l’existència del punt brillant, que la seva teoria mostrava que era conseqüència de la interferència constructiva de les ones difractades per el contorn del disc. Fresnel va obtenir el Premi de l’Acadèmia Francesa i la teoria ondulatòria va quedar consolidada.
(1) (4)

Noves mesures de la velocitat de la llum

Hippolyte Fizeau (Paris, France 1819 – Venteuil, France, 1896), físic, va determinar la velocitat de la llum, per un procediment basat en el de Galileu, de mesurar el temps que tarda la llum en fer un recorregut fixat prèviament.
El 1849 Fizeau va fer construir una roda dentada de 720 dents i va fer passar un feix de llum, perpendicular al pla de la roda, a través d’un dels forats que quedaven entre dues dents. El feix de llum il·luminava un mirall situat a 8.633 m de distància i es reflectia tornant a passar per el forat entre les dues dents. Amb un telescopi i una làmina semitransparent, un observador podia veure la llum que es reflectia al mirall. La làmina semitransparent, per un costat dirigia el feix de llum cap al forat entre les dents i quan tornava el feix, permetia veure’l per l’altre costat de la làmina.

Quan la roda es posava a girar, s’anava veient alternativament llum i foscor, segons el feix de llum passés per el forat entre les dents o topés amb una dent. Si girava més ràpidament, l’alternança de llum i foscor era més ràpida. Però arribava un moment en que la llum desapareixia, ja no havia alternança i tot era foscor. Era quan el feix d’anada passava per el forat entre les dents, però quan tornava ja no trobava el forat sinó la dent del costat, si el gir de la roda havia estat suficientment ràpid. Mesurant la velocitat de la roda, que va ser de 12,6 revolucions per segon, Fizeau va calcular el tems que passava entre que el feix il·luminava el forat o la dent següent, que era el mateix que la llum havia emprat per recórrer el doble de la distància (8.633 m) a la que estava situat el mirall. El resultat per la velocitat de la llum va ser de 313.000 km/s, molt més a prop del valor real que el que havia calculat Ole Roemer el 1676, 173 anys abans. La referència (8) ofereix una explicació detallada del procediment de Fizeau.
(8)

León Foucault (Paris, France, 1819 – Paris, France, 1868), pocs anys més tard, el 1862, va millorar el mètode de Fizeau i va fer possible mesurar la velocitat de la llum a l’interior d’un laboratori. Foucault va utilitzar un mirall giratori en lloc de la roda dentada de Fizeau. El mirall giratori reflecteix un feix de llum incident cap a un mirall fix, que fa tornar el feix de nou al giratori. A través d’un ocular es pot observar el feix de llum de tornada, sempre que aquest faci un angle determinat respecte al feix incident. Quan el mirall gira a suficient velocitat per què el feix de tornada trobi el mirall en la posició adequada per què el dirigeixi cap el ocular, es veurà llum a través de l’ocular. Les condicions de l’experiment van ser que el mirall girava a 400 revolucions per segon i la distància a la que es trobava el mirall fix era de 5 m. El resultat per la velocitat de la llum va ser de 298 km/s. La referència (9) ofereix una explicació detallada del procediment de Foucault.

A més de la major precisió, el mètode de Foucault permetia mesurar la velocitat de la llum en qualsevol medi transparent que es posés entre els dos miralls. Així es va mesurar la velocitat de la llum dins de l’aigua, donant com resultat 226.000 km/s. Aquest resultat va ser especialment important, perquè la predicció de la teoria corpuscular de Newton era que la velocitat de la llum a l’aigua havia de ser més gran que a l’aire. Era l’argument definitiu que va fer abandonar la teoria de Newton de la llum.
(9) (4)

A finals del segle XIX, la teoria ondulatòria de la llum semblava que havia guanyat la partida a la teoria corpuscular, però no pensem que això va ser ja definitiu. A principi del segle XX, la naixent teoria quàntica aportava nous arguments. Els veurem en una propera sessió.

 Audio de la xerrada

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
Sopa d’estrelles” del 4 de novembre de 2015.

(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) https://en.wikipedia.org/wiki/Light
(3)  http://www.newtonproject.sussex.ac.uk/view/texts/normalized/NATP00005
(4) Paul A. Tipler. Física. 1978. Editorial Reverté.
(5) Young, Thomas (1804). “Bakerian Lecture: Experiments and calculations relative to physical optics”. Philosophical Transactions of the Royal Society 94: 1–16.
https://books.google.es/books?id=7AZGAAAAMAAJ&pg=PA1&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false
(6) Museo Virtual de la Ciencia. CSIC.   http://museovirtual.csic.es/salas/luz/luz25.htm
(7) Museo Virtual de la Ciencia. CSIC.   http://museovirtual.csic.es/salas/luz/luz27.htm
(8) Museo Virtual de la Ciencia. CSIC.  http://museovirtual.csic.es/salas/luz/luz17.htm
(9) Museo Virtual de la Ciencia. CSIC.  http://museovirtual.csic.es/salas/luz/luz18.htm

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

Els comentaris estan tancats.