L’any de la llum, una oportunitat didàctica.
Aquest any 2015 coincideixen un seguit d’efemèrides importants en l’àmbit de la llum, l’òptica i l’electromagnetisme. Ens ofereixen una molt bona oportunitat per recórrer la història de la mà de la ciència i no tant de la sociologia, la política o l’economia, com tradicionalment s’ha fet.
Aquest 2015 ha estat proclamat per les Nacions Unides l’Any Internacional de la Llum i de les tecnologies basades en la llum. Amb aquesta finalitat, es vol donar a conèixer la importància que té aquest camp científic per les seves aplicacions en la societat actual. A més, enguany se celebren diferents efemèrides en el desenvolupament de l’òptica i la fotònica. Tot plegat ofereix un ventall d’oportunitats per dur a terme a les aules activitats competencials i de síntesi entre diferents àrees de coneixement.
Preneu nota de les efemèrides!
Ibn al-Haytam va publicar l’any 1015 el Llibre d’òptica, extens tractat que és considerat la primera gran aportació en aquest camp després dels treballs de Claudi Ptolemeu (segles i-ii). L’autor hi va exposar la seva recerca amb miralls i lents, però també els estudis sobre l’arc de Sant Martí, i va introduir el concepte de cambra fosca. Ibn al-Haytam, a més, va aportar la primera noció directa de com funciona la visió: l’ull percep la llum que els objectes reflecteixen. També va ser un dels precursors del mètode científic, ja que va posar en dubte tot el coneixement establert i va ser molt caut a l’hora de treure conclusions: va considerar que aquestes han d’anar en la línia de la recerca de la veritat i no s’han de basar en meres opinions.
Al segle xvii, Isaac Newton i Christiaan Huygens ja van mantenir una polèmica sobre quina era la naturalesa de la llum. Per al primer, la llum era un seguit de petits corpuscles (partícules) sense massa que es desplaçaven a gran velocitat. Aquesta teoria era útil per concebre la llum com un raig i explicava una part de la fenomenologia de l’òptica geomètrica, com ara la reflexió (rebot de la llum) o la refracció (desviació de la llum quan canvia de medi). Però presentava dificultats per explicar les interferències, els colors i les penombres. Per donar resposta a aquests fenòmens, es va oferir la teoria ondulatòria de la llum, és a dir, que la llum era una ona i els colors no eren altra cosa que les seves diferents freqüències.
El treball d’Augustin-Jean Fresnel (1815) va consistir a proposar una formulació matemàtica per al fenomen de la interferència d’ones i la difracció (què passa quan la llum es troba amb obstacles o passa per entre escletxes). Continuava així les investigacions de Huygens i Leonhard Euler.
El 1865, James Clerk Maxwell va elaborar una síntesi entre els fenòmens elèctric i magnètic, i la seva conclusió principal va ser que existien ones electromagnètiques que viatjaven a la velocitat de la llum. De fet, Maxwell va anar més enllà i va concloure que la llum mateixa (incloent-hi la calor radiant i altres radiacions) és una forma d’ones propagades a través del camp electromagnètic. Aquest important treball teòric va ser completat en el vessant pràctic per Heinrich Rudolf Hertz quan va ser capaç de generar al laboratori les ones enunciades per Maxwell.
Arribats en aquest punt, tot semblava indicar que la llum era una ona, de manera que es desterraven les hipòtesis que la consideraven una partícula. Però el 1905, Albert Einstein va donar una explicació de l’efecte fotoelèctric. Aquest fenomen té lloc quan s’il·lumina una superfície metàl·lica; s’observa llavors que aquesta superfície allibera electrons a partir d’una certa freqüència de llum, i no de la quantitat de llum incident. Els fotons o partícules de llum tenen una energia proporcional a la seva freqüència.
El 1915, Einstein va incorporar la llum a la cosmologia mitjançant la teoria de la relativitat general. L’espai és corbat per la presència de grans astres i, per tant, la llum deixa de viatjar en línia recta. També dins d’aquest mateix camp, el 1965 Arno Penzias i Robert Wilson treballaven amb un detector molt sensible de microones quan van descobrir una distorsió de fons que procedia de totes les direccions i sentits i era impertorbable de dia i de nit. Van arribar a la conclusió que aquest soroll provenia de més enllà del sistema solar i, fins i tot, de la nostra galàxia. Aquestes microones les havia predit la teoria del Big Bang i corresponien a la resplendor de l’univers primitiu, que és molt lluny i s’allunya de nosaltres. Es confirmava així experimentalment la hipòtesi de la gran explosió inicial.
També el 1965, Charles Kao va rellançar la tècnica de la transmissió de llum per fibres amb el descobriment de nous materials d’una gran transparència i perfecció. Així, va obrir el pas a l’aplicació a gran escala de la transmissió d’informació mitjançant senyals lluminosos. La idea consisteix, bàsicament, en un cable amb una fibra interior i un recobriment amb els quals es va jugant amb la refracció per tal de provocar successives reflexions totals.