La llum

Col·laboració de David Collazo per al capítol Constants universals

El fenomen de la llum ha estat un dels objectes d’estudi més importants per als científics de totes les èpoques. El desconeixement de la seva naturalesa ha portat, des de fa molts segles, a diferents conclusions fins arribar al model actual, que presumiblement dóna una resposta adequada al seu comportament.

La primera teoria, concebuda des de l’escola atomista al segle V abans de Crist, entenia que els diferents cossos es comportaven com uns focus que emetien una imatge que era captada per la visió i interpretada per l’ànima. Uns anys més tard, en l’entorn de l’escola pitagòrica, es va postular que la visió funcionava com el tacte, que els ulls captaven (de manera similar a com ho fan els ratpenats, tot i que en cap moment va aparèixer el concepte d’emissió-recepció d’ones) els objectes mitjançant uns “tentacles oculars” amb els quals n’interpretaven la forma i color. L’última de les teories d’aquesta època, promulgada per Euclides al voltant del 300 a.C., concebia que la llum sortia dels ulls en forma de raig i rebotava, portant a la visió la informació dels objectes amb els que xocava.

No va ser fins 13 segles més tard que es va arribar a comprendre que la llum provenia del Sol (és a dir, de cossos lluminosos, i no dels propis objectes ni dels ulls). Aquesta idea la va proposar Ajasen Basora, que a més va introduir els conceptes de propagació en línia recta dels raigs lluminosos, i la idea que aquests rebotaven en els objectes per tornar als ulls.

Tanmateix, la seva naturalesa física seguia essent una incògnita. Els avenços científics a l’Europa dels segles XV al XVII van permetre l’aparició de noves teories que, si bé no van acabar de donar una explicació a tot el comportament del fenomen lumínic, sí van servir per, conjugant-les, arribar a entendre quina és la vertadera naturalesa de la llum.

Primer va ser Newton, científic de prestigi, que va proposar la teoria corpuscular de la llum, a partir dels experiments de l’holandès Snell. Newton considerava que la llum estava formada per petits corpuscles que es desplaçaven a gran velocitat i en línia recta a partir dels cossos lluminosos. Amb la seva teoria i els experiments d’Snell es va dibuixar la llei de la reflexió: la llum, al xocar amb una superfície llisa, surt rebotada amb un angle igual amb el que ha incidit. No obstant, un altre fenomen, el de refracció (canvi de velocitat i angle de propagació de la llum al canviar de mitjà) no quedava resolt amb aquesta teoria.

Va ser un altre científic, Huygens, qui va donar una explicació que responia satisfactòriament als fenòmens de reflexió i refracció: el model ondulatori. Segons Huygens, la llum és un fenomen ondulatori, com el so, de tipus mecànic. Entre totes les incorporacions que introduïa aquesta nova teoria, la més destacada era la de la necessària existència d’un medi material que permetés la propagació de la llum en el suposat buit de l’univers: es va considerar que existia un mitjà, que es va conèixer amb el nom d’èter, present en tot l’espai. La teoria de Huygens no va ser ben acollida en un principi, donat l’alt grau de credibilitat i prestigi del que gaudia Newton. Tanmateix, els posteriors experiments sobre la difracció de Young i Fresnel van acabar provocant l’acceptació d’aquest model ondulatori.

Tot i que la teoria ondulatòria donava una resposta força acceptable, la implicació de l’existència d’un èter portava problemes: les ones transversals només es poden traslladar en medis sòlids, però l’èter no podia oposar resistència a la propagació de la llum. No va ser fins al descobriment del fenomen electromagnètic, gràcies a la teorització que Maxwell va fer dels experiments de Faraday a mitjans del segle XIX, que es va comprendre la veritable naturalesa de la llum.

Avui en dia s’accepta que la llum no és ni un corpuscle ni una ona mecànica, tot i que té el seu comportament té part dels dos. La llum és una oscil·lació electromagnètica que es propaga pel buit o per un mitjà transparent, i és a la vegada una part insignificant de l’espectre electromagnètic (on s’inclouen tot tipus d’ones, des de les radiofòniques a les microones), la part perceptible per la visió humana.

A part de la naturalesa de la llum, un altre dels estudis que més han preocupat als científics sobre aquest fenomen ha estat el descobriment de la velocitat amb la qual es propaga. La falta de mitjans que permetessin un càlcul acurat d’aquest valor, donada la gran diferència d’escala entre aquesta velocitat i les diferents velocitats que podem apreciar a la natura, va fer creure durant molt de temps que la llum es propagava a velocitat infinita.

El primer en trobar un valor que s’aproximés al que avui acceptem com velocitat de la llum va ser el danès Olaf Roemer, el 1670, mentre estudiava els eclipses a les llunes de Júpiter. Roemer, a partir dels seus càlculs, havia determinat el moment exacte en el que es produirien aquests eclipsis, però va observar amb gran sorpresa que aquest moment es va retardar uns minuts. Posteriorment va arribar a la conclusió que, el fet que aquesta suposició partia d’una observació realitzada en una altra època de l’any, en la qual Júpiter es trobava a una altra distància de la Terra, havia trigat més a percebre el fenomen de l’eclipsi perquè aquest s’havia produït més lluny, i que per tant la llum havia trigat més en arribar. Realitzant càlculs a partir de totes les dades recollides, va donar un primer valor a la velocitat de la llum: 300200 km/s.

El primer en calcular aquest valor “a nivell de terra” va ser el francès Fizeau, que mitjançant un sistema composat per una roda giratòria dentada i un feix de llum va calcular que la velocitat de la llum era d’uns 313 mil km/s. Com veurem, aquesta mesura és menys encertada que la de Roemer, però el fet de realitzar-se a nivell de terra i mitjançant un mecanisme dissenyat per a aquest propòsit li confereix cert valor. Més tard, el propi Fizeau de manera paral·lela a Foucault (a qui se li assigna de manera oficial la troballa) van descobrir, mitjançant un altre experiment (a partir de feixos de llum, miralls i superfícies semitransparents), un altre valor per a la velocitat de la llum.

Finalment, i per facilitar els càlculs, avui en dia s’accepta com a valor oficial de la velocitat de la llum (el que coneixem com a constant “c”): c = 3 · 108 m/s.

Col·laboració de David Collazo per al capítol Constants universals