Newton a explicat foarte bine mişcarea obiectelor, dar a avut mult mai puţin succes în studierea luminii. Ulterior, a fost o reuşită extraordinară descoperirea faptului că lumina este o undă electromagnetică. Dar ştiind acest lucru nu este totuna cu a şti totul despre cum funcţionează ochiul ori telescopul. În fapt, descrierea completă a luminii ca undă se dovedeşte destul de problematică. În acest articol vom folosi un model simplu al luminii, modelul razei de lumină, care este util în cele mai multe situaţii practice. Pe de altă parte, vom începe discuţia cu prezentarea ideilor de bază despre lumină şi vedere care existau încă dinainte de descoperirea că lumina este undă electromagnetică.



Natura luminii. Vederea: relaţia cauză-efect

Suntem familiari cu subiectul luminii, ceea ce pare un avantaj atunci când trebuie să discutăm despre lumină, dar cei mai mulţi nu s-au gândit în profunzime la relaţia dintre lumină şi vedere. Chiar şi oameni educaţi, care au investit timp şi energie în acest subiect, au ajuns la concluzii greşite. Vechii greci, arabii şi chinezii au avut teoriile lor despre lumină şi vedere, toate greşite, dar acceptate pentru mii de ani.

Un aspect pe care cei din vechime l-au identificat în mod corect este distincţia dintre obiectele care emit lumină şi cele care nu o fac. Atunci când observi o frunză în pădure, trei obiecte sunt implicate: frunza, ochiul şi Soarele. Dar obiectele luminoase, ca Soarele, focul ori becul, pot fi văzute fără a fi nevoie de al treilea obiect.

Emisia de lumină este adesea asociată cu căldura. În timpurile moderne ne sunt familiare obiecte care emit lumină fără a fi încălzite, precum lumina fluorescentă ori jucăriile care strălucesc în întuneric.


Cum vedem obiectele luminoase?

Filozoful grec Pitagora (născut în 560 î.e.n.) şi Empedocle din Acragas (născut în 492 î.e.n.), care au fost foarte influenţi, credeau că atunci când privim o flacără, flacăra şi ochiul transmit amândouă o substanţă misterioasă, iar când substanţa emisă de ochi intră în coliziune cu substanţa emisă de flacără - flacăra devine obiect al simţului vederii.

Această teorie a coliziunii, deşi bizară, a avut câteva aspecte bune. Explica de ce este nevoie atât de flacără, cât şi de ochi pentru ca simţul vederii să fie activat. Teoria putea fi uşor extinsă pentru a explica de ce vedem obiectele neluminoase. Dacă o frunză, de exemplu, ar fi la locul întâlnirii dintre substanţa emisă de ochi şi cea emisă de flacără, atunci frunza este stimulată să-şi exprime natura sa, permiţând perceperea ei ca fiind un corp verde cu o anumită formă.

Omul modern se poate simţi inconfortabil cu această teorie, căci sugerează că "verdele" există doar pentru a fi văzut astfel, sugerând precedenţa umanului asupra fenomenelor naturale. Azi ne aşteptăm să vedem o relaţie cauză-efect, care să implice faptul că frunza face ceva pentru a fi văzută. Dar cum putem lămuri asta? Cea mai uzuală cale de a distinge cauza de efect este să determinăm ce se întâmplă întâi, dar procesul vederii pare să se manifeste prea rapid pentru a determina ordinea în care lucrurile au loc. Cu siguranţă nu există o diferenţă perceptibilă între momentul în care mişcăm capul şi momentul în care reflecţia capului se mişcă într-o oglindă.


Fotografia

Astăzi fotografia asigură cel mai simplă dovadă experimentală că nu se emite nimic din ochii tăi, care să lovească frunza, pentru a vedea frunza. Un aparat fotografic poate face o fotografie fără a fi nevoie de ochi în preajmă. Cum frunza pare să fie verde indiferent de faptul dacă a fost fotografiată ori  a fost văzută de ochiul uman, pare să aibă mai mult sens să considerăm că verdele frunzei este cauza, iar ce se întâmplă în aparatul de fotografiat ori ochi este efectul.


Lumina este un lucru, iar aceasta călătoreşte dintr-un loc în altul.

O altă problemă analizată de puţini este dacă o flacără pur şi simplu văzută în mod direct ori transmite lumină care ajunge la ochi. Din nou, rapiditatea efectului face dificil să spunem ce se întâmplă. Dacă cineva aruncă o piatră către tine, poţi vedea piatra în drumul ei către tine, iar tu poţi spune că o anumită persoană a încercat să te rănească aruncând ceva către tine; nu vei spune că o mişcare a braţului acelei persoane a dus la rănirea ta, implicată fiind o "acţiune la distanţă". Dar nu e simplu să observi dacă ceva călătoreşte de la flacără către tine...

Descrierea noastră a obiectelor materiale include atât acţiunea la distanţă (de exemplu, atracţia gravitaţională newtoniană asupra obiectelor), cât şi forţe de contact, precum frecarea.

O dovadă că flacăra trimite ceva care călătoreşte către ochi este prezentată în imaginea de mai jos, substanţe transparente putând da impresia că flacăra este în locul greşit, sugerând ideea că lumina este un lucru căruia îi poate fi modificat cursul. Mulţi vor respinge această observaţie, clamând că este doar o iluzie optică. Unele iluzii optice sunt bazate pe efecte de natură neurologică sau psihologică în mod integral, dar altele, ca din cazul nostru, sunt generate de comportamentul luminii.


Lumina de la o flacără întâlneşte o bucată de sticlă şi îşi schimbă direcţia de deplasare. Prin introducerea sticlei se ajunge la schimbarea poziţiei aparente a flăcării.

O modalitatea mai convingătoare de a decide în ce categorie se încadrează lumina este aceea de a stabili dacă este nevoie de timp pentru ca lumina să ajungă de la flacără la ochi; în viziunea lui Newton acţiunea la distanţă ar trebui să fie instantanee. Faptul că vorbim astăzi despre viteza luminii implică faptul că cineva a descoperit la un moment dat că viteza luminii are o anumită valoare finită. Galileo Galilei a încercat să măsoare viteza luminii, prin semnalizarea cu lanterne între două persoana aflate la distanţă una de alta, dar a eşuat.


Satelitul Io, ca ceas cosmic

Prima persoană care a arătat că lumina are o viteză finită a fost Ole Rømer, în cadrul unei serii de măsurători în 1675. Rømer a observat făcut observaţii asupra lui Io, unul dintre sateliţii lui Jupiter, pe o perioadă de câţiva ani. Cum este de aşteptat ca Io să aibă nevoie de aceeaşi perioadă pentru a efectua orbite complete în jurul lui Jupiter, satelitul poate fi văzut ca un ceas cosmic foarte precis. Un ceas cu pendul tocmai fusese creat recent, aşa că Rømer a putut verifica dacă perioadele a două orbitări complete, cu o durată de circa 42,5 ore fiecare, erau identifice ori existau diferenţe între acestea. Dacă procesul de a vedea satelitul ar fi fost instantaneu, atunci nu ar fi trebuit să existe diferenţe.

Dar Pământul nu stă la aceeaşi distanţă de Jupiter şi Io. Cum distanţa se schimbă mereu din cauza mişcării orbitale ale celor două planete, dacă viteza luminii este finită, atunci "ceasul Io" ar părea că se mişcă mai repede când planetele s-ar apropia una de alta şi mai încet când planetele s-ar depărta una de alta. Rømer a identificat o variaţie în viteza aparentă a orbitelor lui Io, constatând că eclipsele lui Io (atunci când Io era în faţa ori în spatele lui Jupiter) apăreau cu 7 minute mai devreme ori mai târziu, în funcţie de distanţa la care se afla de Pământ.

 



Pe baza măsurătorilor sale, Rømer a estimat viteza luminii la 2x108 m/s; în realitate este de 3x108 m/s. Nu e clar dacă eroarea a fost cauzată de necunoaşterea razei corecte a orbitei Pământului ori de imprecizia ceasului cu pendul.


Lumina poate călători prin vid

Mulţi cititori pot fi confuzi cu privire la relaţia dintre sunet şi lumină. Deşi folosim organe diferite pentru sunet şi lumină, sunt multe similarităţi între ele. De exemplu, atât lumina, cât şi sunetul sunt emise în toate direcţiile de sursele lor.

O modalitate de a observa diferenţele dintre acestea este să compari vitezele cu care se deplasează. Viteza sunetului poate fi observată urmărind un grup de copii care bat din palme în timp ce ascultă un cântec. Este o întârziere evidentă între momentul în care vezi că bat din palme şi momentul în care sunetul ajunge la urechea observatorului aflat la o oarecare distanţă.

Distincţia fundamentală dintre sunet şi lumină este aceea că sunetul este, în fapt, o oscilaţie propagată prin aer (deci este nevoie de aer ori altă substanţă), pe când lumina se poate propaga prin vid.

— ••• —
Acest articol este parte din cartea "Fizica conceptuală" de Benjamin Crowell
 

CUPRINS

7.1 Natura luminii