SCURT ISTORIC ASUPRA NATURII LUMINII.

Optica este domeniul fizicii care se ocupă cu studiul fenomenelor luminoase, fiind

„ştiinţa senzaţiilor vizuale”. Ca termen, provine din grecescul “optike”, iar ca ştiinţă

trebuie să dea răspunsuri la întrebări legate de natura luminii, de proprietăţile ei şi de

interacţiunile ei cu substanţa.

Aceste întrebări au preocupat omenirea din cele mai vechi timpuri ( încă din

secolul v î.e.n.) dat fiind rolul deosebit al luminii in viaţa oamenilor. Astfel, primele teorii

asupra naturii luminii si mecanismul vederii , apar încă din antichitate şi sunt legate de

nume mari ale filozofiei , precum Leucip şi Democrit ,Euclid ,Ptolemeu, Pitagora. Studii

sistematice au început a fi făcute in sec.17, Snellius (în 1626) si Descartes (1637)

enunţând legile refracţiei. Totuşi, nu se găsise un răspuns la o întrebare simplă: Ce este

lumina?

Spre sfârşitul secolului, pe baza acumulărilor anterioare, s-au formulat, practic

concomitent, două teorii aparent contradictorii :teoria corpusculară a lui Newton şi cea

ondulatorie a lui Huygens.

Conform teoriei lui Newton, lumina este considerată ca fiind un flux de particule

(corpusculi) care se mişcă cu viteze foarte mari, în linie dreaptă, în acord cu legile

mecanicii newtoniene. Acest model poate explica formarea umbrei şi penumbrei

(propagarea rectilinie), permite deducerea legilor reflexiei (considerând că aceşti

corpusculi au proprietăţi elastice), dar nu poate explica o serie de fenomene cunoscute (de

exemplu, inelele lui Newton).

În teoria sa ondulatorie, Huygens a plecat de la observaţia că valurile produse de

căderea unei pietre într-o apă liniştită se propagă sub forma unor perturbaţii(unde)

sferice. Procesul de propagare continuă şi după dispariţia cauzei care a produs

perturbaţia iniţială. Huygens a concluzionat că importantă este nu piatra, ci perturbaţia

iniţială şi a enunţat un principiu care îi poartă numele: ”fiecare punct al unui al unui front

de undă poate fi considerat ca sursă de noi unde secundare, care se propagă în toate

direcţiile cu o anumită viteză. Suprafaţa tangentă la undele secundare emise formează

noul front de undă.” Pe baza acestui principiu, Huygens a putut explica reflexia, refracţia,

birefringenţa, rămânând, totuşi, o serie de alte fenomene inexplicabile. În concepţia sa,

lumina este o undă elastică, longitudinală, neperiodică şi care se propagă printr-un mediu

foarte fin, numit eter. Ulterior, principiul lui a fost completat de Fresnel şi a stat la baza

opticii ondulatorii elastice din prima jumătate a secolului 19. În această perioadă, o serie

de fizicieni (Young, Fresnel ,Fraunhofer) au avut contribuţii foarte importante în studiul

interferenţei, difracţiei ; Malus a introdus noţiunea de polarizare a luminii, Young a

explicat culorile luminii arătând că lungimea de undă a luminii roşii este mai mare decât

cea corespunzătoare luminii violet, Fresnel a introdus noţiunea de surse secundare

coerente, explicând fenomenul interferenţei luminii. În 1819, Fresnel şi Arago au

demonstrat, printr-o experienţă fundamentală a opticii, că undele luminoase sunt unde

transversale, fapt ce a permis explicarea tuturor faptelor experimentale cunoscute.

Dar nu se ştia încă ce anume vibrează. Răspunsul a venit, în mod surprinzător, din

partea unui domeniu relativ nou: electromagnetismul. Prin cercetările sale, Faraday a

reuşit să pună în legătură fenomenele luminoase cu cele electromagnetice, dovedind că

planul de polarizare al unei raze de lumină este rotit sub acţiunea unui câmp magnetic

longitudinal. Interpretarea acestor date experimentale a fost dată de J. C. Maxwell,

creatorul teoriei moderne a electromagnetismului. Conform acestuia, ceea ce vibrează în

fiecare punct al razei de lumină sunt câmpurile electrice şi magnetice, care oscilează în

plane reciproc perpendiculare şi, în acelaşi timp, perpendiculare pe direcţia de deplasare.

Elaborând un set de ecuaţii ce îi poartă numele, Maxwell a realizat prima unificare a

forţelor electrică şi magnetică, a prevăzut existenţa undelor electromagnetice, a postulat

existenţa unui curent de deplasare, strângând , într-un sistem unitar, toate legile

fenomenologice ale electricităţii şi magnetismului. Confirmarea experimentală a teoriei

lui Maxwell a venit din partea lui H. Hertz, cel care a descoperit radiaţii de frecvenţă

joasă, dar cu proprietăţi asemănătoare celor luminoase, în acord cu teoria lui Maxwell. Se

părea că , în sfârşit , s-a găsit răspunsul la întrebarea “Ce este lumina ?”- o undă elastică

electromagnetică. A urmat o descoperire care a declanşat o criză puternică a

electromagnetismului :efectul fotoelectric extern. Observat experimental de Hertz, acesta

nu putea fi explicat prin teoria lui Maxwell şi nici o altă teorie de până atunci nu se

dovedea valabilă. Rezolvarea crizei a fost dată de Planck (1900) şi Einstein (1905) , care

au afirmat că lumina este emisă în mod discontinuu, în porţii de energie bine determinate,

numite cuante de energie. Aceasta se propagă mai degrabă ca o particulă decât ca o undă,

particulă numită foton şi care transportă energia unei cuante h, unde h = 6,62510-34

Js se numeşte constanta lui Planck, iar este frecvenţa radiaţiei. Astfel, Einstein a

considerat că lumina este un flux de asemenea particule, reuşind să explice efectul

fotoelectric extern şi, ulterior, efectul Compton.

Această nouă interpretare a luminii , alături de teoria electromagnetică, îşi

dovedeau valabilitatea pentru anumite fenomene luminoase, nici una nereuşind să

explice, în totalitate, fenomenele cunoscute. S-a ajuns astfel la concluzia că lumina are un

caracter dual: undă şi corpuscul, aspecte ce trebuie privite într-un sistem, indisolubil

legate între ele, formând o unitate dialectică în înţelesul dat de mecanica cuantică.

Profesor,

Dan Voiculescu

Liceul Pedagogic „C. Negri”