Undele sonore și cele luminoase, deși ambele prezintă caracteristici specifice unor unde, se diferențiază prin mediul de transmisie, comportament și istorie.
Undele sonore
Se constată cu ușurință că sunetul are toate caracteristicile pe care le așteptăm de la un fenomen ondulatoriu:
• Undele sonore respectă suprapunerea. Sunetele nu elimină alte sunete când se ciocnesc și putem auzi mai multe sunete în același timp dacă ambele ajung la ureche simultan.
• Mediul nu se mișcă odată cu sunetul. Chiar și în picioare în fața unui difuzor enorm care redă muzică, nu simțim nici cea mai mică adiere (căci sunetul se transmite prin vibrațiile aerului).
• Viteza sunetului depinde de mediu. Sunetul călătorește mai rapid în heliu decât în aer și mai rapid în apă decât în heliu. Mai multă energie într-o undă o face mai intensă, nu mai rapidă. De exemplu, puteți detecta cu ușurință ecoul atunci când bateți din palme la o distanță mică de un perete mare și plat, iar întârzierea ecoului nu este mai scurtă pentru aplauze mai puternice.
Deși nu toate undele au o viteză independentă de forma undei și, prin urmare, această proprietate este irelevantă pentru colecția noastră de dovezi că sunetul este un fenomen de undă, sunetul are totuși această proprietate. Basul, toba și vocea se îndreaptă de la scenă spre exterior cu o viteză de 340 m/s, indiferent de formele lor de undă.
Dacă sunetul are toate proprietățile pe care le așteptăm de la o undă, atunci ce tip de undă este? Trebuie să fie o vibrație a unui mediu fizic, cum ar fi aerul, deoarece viteza sunetului este diferită în diferite medii, cum ar fi heliul sau apa.
O altă dovadă este că nu am recepționat semnale sonore care să fi venit pe planeta noastră prin spațiul cosmic. Zgomotele infernale ale motoarelor navetelor spațiale din spațiul cosmic prezentate în filmele de la Hollywood sunt distractive, dar din punct de vedere științific sunt nonsens.
Spațiul cosmic nu este un vid perfect, deci este posibil, în principiu, ca undele sonore să călătorească prin el. Cu toate acestea, dacă vrem să creăm o undă sonoră, o facem în mod obișnuit prin crearea vibrațiilor unui obiect fizic, cum ar fi cutia rezonantă a unei chitare sau printr-un difuzor. Cu cât este mai mică densitatea mediului înconjurător, cu atât mai puțin eficientă transformarea energiei în sunet și transportul acesteia. Un diapazon izolat, lăsat să vibreze în spațiul interstelar, ar disipa energia vibrației sale în căldură internă într-o proporție mult mai mare decât prin sunet, dat fiind vidul aproape perfect din jurul său.
Putem spune, de asemenea, că undele sonore constau în compresii și decompresii ale mediului, mai degrabă decât vibrații laterale. Doar vibrațiile de compresie pot face ca timpanele să vibreze. Chiar și pentru un sunet foarte puternic, compresia este extrem de slabă; creșterea sau scăderea în raport cu presiunea atmosferică normală nu depășește o parte dintr-un milion. Urechile noastre sunt, se vede, receptoare foarte sensibile!
Undele luminoase
Observații cu totul similare celor asupra undelor sonore ne fac să credem că și lumina este o undă, deși conceptul de lumină ca undă a avut o istorie lungă și sinuoasă. Este interesant de observat că Isaac Newton a susținut într-un mod influent o idee contrară despre lumină. Credința că materia era formată din atomi era la modă la momentul respectiv în rândul gânditorilor radicali (deși nu existau dovezi experimentale pentru existența acestora) și lui Newton i se părea logic ca și lumina să fie făcută din particule minuscule, pe care el le-a numit „corpusculi” (termenul în latină pentru „obiecte mici”).
Triumfurile lui Newton în știința mecanicii, adică studiul materiei, i-au adus un prestigiu atât de mare, încât nimeni nu s-a deranjat să pună la îndoială teoria sa incorectă a luminii timp de 150 de ani. O dovadă convingătoare că lumina este o undă este că, în conformitate cu teoria lui Newton, două fascicule de lumină care se intersectează ar trebui să experimenteze cel puțin o anumită perturbare din cauza coliziunilor dintre corpusculi. Chiar dacă corpusculii ar fi extrem de mici și, prin urmare, coliziunile ar fi foarte rare, cel puțin o anumită perturbare ar fi trebuit să fie măsurabilă, iar experimentele au arătat că nu se întâmplă asta.
Teoria luminii ca undă a avut succes până în secolul al XX-lea, când s-a descoperit că nu toate fenomenele luminii puteau fi explicate printr-o teorie a undelor. Acum se crede că atât lumina, cât și materia sunt făcute din bucăți mici, care au atât proprietăți de undă, dar și de particule. Deocamdată, ne vom mulțumi cu teoria luminii ca undă, care este capabilă să explice multe fenomene, de la aparatele foto și camerele video la curcubeie.
Dacă lumina este o undă, ce se ondulează? Care este mediul care se mișcă atunci când trece o undă de lumină (așa cum aerul se mișcă atunci când este traversat de unde sonore)? Nu este aerul acest mediu. Prin vid nu poate trece sunetul, dar lumina stelelor călătorește fără probleme distanțe enorme prin spațiul cosmic gol. Becurile nu au aer în interiorul lor, dar asta nu împiedică undele luminoase să părăsească filamentul.
Multă vreme, fizicienii au presupus că trebuie să existe un mediu misterios pentru unde luminoase și l-au numit „eter” (nu trebuie confundat cu substanța chimică). Se presupunea că eterul ar exista peste tot în spațiu și era imun la pompele de vid.
Acum știm că lumina poate fi explicată în schimb ca un model de undă alcătuită din câmpuri electrice și magnetice, iar mediul de transmisie este pur și simplu spațiul.
— ••• —
Acest articol este parte din cartea „Fizica conceptuală” de Benjamin Crowell
CUPRINS
8.3 Undele sonore vs undele luminoase
