Ibn al-Haytam

Ibn al-Haytam (965-1039), també conegut amb el nom de Alhazen o al-Basir per el seu lloc de naixement, és considerat, des del punt de vista de la història de la Ciència, “l’inventor” del mètode científic i, per tant, el primer científic “de veritat” del món. Diuen que va inventar el mètode científic per a demostrar les seves idees sobre que la llum que arriba als nostres ulls prové del Sol, convidant als incrèduls a mirar fixament a l’astre rei.

Alhazen fou un matemàtic, físic i astrònom musulmà que va realitzar importants contribucions als principis de la Òptica (a partir dels quals es va començar a desenvolupar tota aquesta ciència de la llum) i també a la concepció d’experiments científics, de manera que va anar polint el mètode científic.

Alhazen es considerat el físic més important de la Edat Mitjana. Al contrari que Ptolomeu (un dels altres grans científics de la Història), creia que la llum que ens permet veure provenia del Sol i que els objectes que careixen de llum pròpia tan sols reflecteixen la llum que els hi arriba del Sol i és així com els veiem. Aquesta idea, junt amb altres, va ajudar a treballar els fonaments de la Òptica geomètrica. De fet, la gran contribució teòrica d’Alhazen a la Òptica fou que va separar llum i objecte, és a dir, la llum no era una propietat intrínseca dels objectes que veiem, sinó que era el “medi” a partir del qual l’ull, intermediari de la visió, era capaç de visualitzar l’objecte en concret i, per tant, permetre’ns percebre el món que ens envolta. Va escriure el “Llibre d’Òptica”, considerat el primer tractat de lents de la història i, en el qual, apart d’exposar les seves idees fonamentals sobre la llum i la visió, va descriure la imatge d’un objecte formada en la retina humana a causa del cristal·lí (vist com una lent).

A més, Alhazen, també va estudiar els fenòmens de la refracció i la reflexió de la llum, l’origen de l’Arc de Sant Martí, el moviment dels astres, va proposar la idea de finitud de l’espessor de l’atmosfera terrestre i va construir la primera càmera fosca, important instrument científic per a la experimentació de l’Òptica i, també, per al desenvolupament de la fotografia.

Per saber-ne més:

• L’ull com a sistema òptic: http://cienciacarrer.blogspot.com.es/2013/01/lull-com-instrument-optic.html
• El model de visió d’Alhazen (en castellà): http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/fisica/Vision/Luz-vision04.htm
• Breus inicis de la concepció de la fotografia: http://www.retinamagazine.com/noticias.php?idnota=45&seccion=4

Breu història del LÀSER

El 19 d’octubre de 1900, Max Karl Ernst Ludwing Planck (1858-1947) va llegir un article davant de la German Physical Society en el que va presentar les bases del que acabaria sent una gran revolució en el món de la Ciència i en tot el pensament científic: la mecànica quàntica, una teoria per als fenòmens submicroscòpics. L’any 1905, basant-se en les idees exposades per Planck l’any 1900, Albert Einstein va proposar una nova forma de teoria corpuscular de la llum (fins llavors s’havia discutit entre un model corpuscular i un model ondulatori, essent aquest darrer el triomfador experimental). A partir d’aquesta idea, l’any 1917, Einstein va publicar la emissió estimulada, base teòrica del que acabaria sent una eina revolucionaria per al nostre món: el làser.

Anys més tard de la publicació d’Einstein, el 1949, Alfred Kastler (1902-1984) desenvolupa la idea fonamental del bombeig òptic, per la qual rep el premi Nobel de Física l’any 1966.

Durant els primers anys de la dècada dels cinquanta, als Estats Units, es desenvolupa un dispositiu extraordinari anomenat màser, desenvolupat per Charles Hard Townes. Màser és la abreviatura de “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (Amplificació de microones per emissió estimulada de radiació). Es tracta d’un dispositiu amplificador de microones, molt poc convencional per a la seva època, que funciona a partir de la interacció mecanico-quàntica de la matèria amb l’energia radiant (llum). Més endavant es va proposar d’estendre aquesta tècnica a altres regions de l’espectre electromagnètic i, concretament, cap a la part visible d’aquest.

L’any 1958 Townes y Arthur L. Schawlow varen establir les condicions físiques generals per a aconseguir la amplificació de la llum a través de l’emissió estimulada de radiació. Amb aquestes condicions, el juliol de 1960, Theodore H. Maiman va donar a conèixer la primera operació exitosa realitzada amb màser òptic (màser en el visible), també conegut amb el nom de làser: “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (Amplificació de llum per emissió estimulada de radiació); sense cap mena de dubte, un dels grans moments de la història de la òptica i de tota la Ciència.

El mes de febrer de l’any 1961 Ali Javan, W.R. Bennet i Donald R. Herriot fabriquen el primer làser d’He-Ne, actualment el tipus més emprat als laboratoris bàsics d’Òptica i d’ensenyament d’aquesta branca de la Física.

I l’any 1962, el físic Robert N. Hall desenvolupa a la “General Electric Company” el primer làser de semiconductors d’injecció i l’acaba patentant l’any 1967, iniciant la comercialització i difusió d’aquest extraordinari i fabulós instrument.

El làser és un dispositiu mecanico-quàntic que aconsegueix produir la seva meravellosa llum aprofitant les maneres subtils amb les que els àtoms interaccionen amb la radiació electromagnètica (llum). Aquesta eina a revolucionat el món sencer, des de les comunicacions al processament d’imatges i informació, així com la medicina i la biologia i, fins i tot, en els espectacles.

Per saber-ne més:

• Llibre: HECHT, E. Óptica. 3a ed. Madrid: Addison-Wesley Iberoamericana, 2000.
• Llibre: CASAS, J. Óptica. 7a ed. Zaragoza: el autor, 1994.
• Vídeo sobre el funcionament del làser: http://www.youtube.com/watch?v=WoDNsiSlodo
• Exposició del CRAI de la Biblioteca de les Facultats de Física i Química de la Universitat de Barcelona (1): http://www.bib.ub.edu/evirtuals/laser/1024.html
• Exposició del CRAI de la Biblioteca de les Facultats de Física i Química de la Universitat de Barcelona (2): http://blocfiq.ub.edu/2010/10/15/50-anys-de-laser-una-eina-que-ens-ha-canviat-la-vida/

Origen de les tempestes

Una tempesta és un fenomen físic de l’atmosfera caracteritzat per la coexistència pròxima de dues o més masses d’aire a temperatures diferents. És aquest contrast el que provoca el seguit d’inestabilitats que desemboquen en la precipitació, vents, llamps, trons i, ocasionalment, pedra que coneixem com a tempesta. 

I, com es formen les tempestes?

Les tempestes es creen quan un centre de baixa pressió es desenvolupa junt amb un sistema d’alta pressió que acaba envoltant al primer. Aquesta combinació de forces oposades pot generar vents ben forts i acabar formant núvols de tempesta.

Ara bé, no totes les tempestes tenen el mateix origen. A les zones més fredes del planeta no trobem tempestes, aquestes se situen a latituds mitjanes (entre els 35 i 55º N i S) i a les zones equatorials i tropicals (entre els 0 i 20º N i S). A les latituds mitjanes distingim 4 tipus diferents de tempestes segons el seu origen:

Tempestes de calor

Tal i com el seu nom indica, són tempestes formades durant els mesos més calorosos de l’any (d’Abril a Setembre) i, especialment durant els mesos d’estiu (de Juny a Agost).

Les tempestes de calor es produeixen sobre terra ferma (ja sigui continental o bé insular) i són freqüents a partir dels migdies. Es tracta de tempestes molt estàtiques i aïllades que se solen formar sobre serralades i muntanyes, tot i que sol ser força complicat prediure el lloc on es formaran.

Tempestes frontals

Aquestes tempestes van lligades als fronts freds. Un front fred és una línia d’aire a baixes temperatures. És el front fred el que “porta” la tempesta.

Aquestes tempestes poden produir – se durant qualsevol moment de l’any quan un front fred arriba a una zona càlida o de temperatures temprades (com ara casa nostra). Són tempestes fàcils de prediure gràcies als mapes del temps.

Tempestes de línies de torbonada

Són tempestes de forma allargada i en bandes. Se semblen molt a les tempestes frontals en quant a característiques, amb la diferència de que no estan vinculades a un front fred: primer arriba la línia torbonada i desprès el front fred. Són tempestes molt breus però, alhora, molt severes i amb forts cops de vent, pluja intensa i, molt sovint, pedra i fenòmens elèctrics.

És molt difícil preveure la seva formació, però no pas el seu avenç sobre el territori.

Tempestes de depressions fredes

Es produeixen als nuclis de les borrasques i no es troben associades a fronts freds. Es tracta de tempestes amb fortes repercussions pluviomètriques sobre la zona mediterrània.

D’altra banda, també hi ha un tipus de tempestes molt conegudes que no entren dins d’aquesta classificació, però que tenen un origen propi també, es tracta de les tempestes elèctriques.

Les tempestes elèctriques es formen quan l’aire calent i humit s’eleva a través d’una atmosfera inestable. L’intent de restaurar la estabilitat atmosfèrica és el que acaba provocant la tempesta elèctrica.

Els corrents d’aire calent ascendent formen cumulonimbus. Si l’aire es condensa ràpidament la tempesta no serà pas elèctrica, però si aquest es va condensant més lentament s’acabaran formant cristalls de gel a la part superior dels cumulonimbus i hi haurà fortes descarregues elèctriques, que nosaltres coneixem com a tempesta elèctrica.

Per saber – ne més:

• Llibre: El Temps vist des del Cel. Autors: Francesc Mauri i Jordi Martín. Editorial: Lunwerg Editores.
• Llibre: 100 qüestions per entendre l’atmosfera. Autor: Jordi Mazón Bueso. Editorial: Cossetània Edicions.
• Llibre: El año que mi abuelo vio llover. Autor: Tomas Molina i Bosch. Editorial: Editorial Planeta.

Pluges d'estels

Segur que durant les nits d’estiu no heu pogut evitar aixecar la vista al cel i us heu meravellat amb una Lluna plena impressionant o amb l’increïble espectacle de més estrelles molt brillants que durant la resta de l’any sobre la bòveda celest. Ara bé, se’ns dubte l’espectacle celestial més impressionant de totes les nits d’estiu (deixant de banda els castells de focs artificials de les festes majors d’arreu de Catalunya) són les pluges d’estels. Ara bé, què són?

La resposta la trobem en els cometes, visitants de les fronteres del nostre Sistema Solar i més enllà.

Els cometes són petits aglomerats de gel de diversa composició (aigua, monòxid de carboni, diòxid de carboni, metanol, etc.) barrejats amb pols de metalls i silicats, amb una grandària d’unes desenes de quilòmetres.

Els cometes es mouen en òrbites molt excèntriques al voltant del Sol, amb períodes (un període és el temps en que el cometa torna a passar per el mateix punt de la seva òrbita) que poden anar des d’uns quants anys fins a uns milers d’anys. Alguns presenten òrbites hiperbòliques i, per tant, només passen una vegada per el periheli.

Els gels del nucli del cometa (mesclats amb impureses com el metà i l’amoníac) quan són a gran distància del Sol es troben inerts. Sotmesos a les baixes temperatures del Sistema Solar exterior, els gels es mantenen sense transformació. Ara bé, en aproximar – se al Sol, els gels comencen a vaporitzar – se, arrossegant partícules de pols amb els gasos resultants. Es forma, aleshores, una dèbil atmosfera al voltant del nucli del cometa que rep el nom de cua, cabellera o coma segons el lloc de Catalunya on ens trobem.

A causa de la seva petita massa, el nucli és incapaç de retenir aquesta atmosfera que es dispersa en l’espai interplanetari.

L’acció del Sol sobre aquesta atmosfera acaba determinant la formació de dues cues: la cua de pols i la cua iònica.

La cua de pols és formada per grans de pols arrossegats per la sublimació dels gels que són accelerats pels impactes amb els fotons de la radiació solar. Presenta un color groguenc, causat pel reflex de la llum solar sobre aquests grans. L’acció del Sol fa que l’aspecte d’aquesta cua sigui molt corbat.

La cua iònica és formada per ions que procedeixen de la dissociació de les molècules de l’atmosfera cometària, causada per la radiació ultraviolada solar. En ser partícules carregades, són arrossegades pel camp magnètic solar, que condueix el vent solar, en direcció oposada al Sol.

Totes aquestes partícules es van quedant enrere, flotant per l’espai interplanetari de l’interior del Sistema Solar. En alguns casos aquestes partícules es queden per una zona que forma part de la òrbita de la Terra al voltant del Sol. És en el moment en el que la Terra passa per aquesta zona que les partícules de pols interaccionen amb la atmosfera del nostre planeta i podem gaudir de l’espectacle de la pluja d’estels; visible tot l’any, però d’un especial atractiu les nits d’estiu.

Classificació de les Galàxies

Des de 1845 fins als primers anys de la dècada dels anys vint del segle XX hi havia una important disputa entre els astrònoms: les nebuloses són objectes que pertanyen a la nostra Galàxia o es tracta d’altres “Universos Illa” o galàxies?

L’any 1924, l’astrònom americà Edwin Hubble tancà aquesta disputa en mesurar la distància a la nebulosa M31, que avui dia coneixem amb el nom de galàxia M31 o galàxia d’Andromeda.

Dos anys més tard, el 1926, Hubble proposà una classificació de les galàxies en funció de la seva morfologia, en tres tipus diferents: el·líptiques, espirals i irregulars.

Galàxies el·líptiques

Les galàxies el·líptiques tenen forma esferoïdal o d’el·lipsoide. La distribució de la llum que emeten és força uniforme. Es classifiquen amb la notació E_n depenent de la excentricitat que presentin. Així doncs tenim galàxies: E₀, E₃ i E₇.

Les estrelles pertanyents a aquest tipus de galàxies segueixen trajectòries aleatòries.

Galàxies espirals

Les galàxies espirals són formades per una prominència central anomenada bulb i un disc aplanat d’estrelles, gas i pols, que presenta unes línies espirals arquejades anomenades braços espirals. En alguns casos es presenta disc, però no braços, és el cas de les galàxies lenticulars, també anomenades galàxies espirals S₀.

La resta de galàxies espirals es presenten en dos tipus diferents:

• Espirals normals: les classifiquem com a Sa, Sb i Sc.
• Espirals barrades: presenten una barra sobre el disc que travessa el bulb de la qual neixen els braços espirals. Es classifiquen segons el criteri: SBa, SBb i SBc.

Galàxies irregulars

Les galàxies irregulars no presenten cap tipus de forma espiral ni simetria.

Queden dividies en dos subgrups:

• Irr I: estan constituïdes, fonamentalment, per una mescla d’hidrogen ionitzat i electrons.
• Irr II: tenen major quantitat de pols que les Irr I i tenen formes irregulars a causa de col·lisions amb altres galàxies.

Apart d’aquesta classificació introduïda per Edwin Hubble, avui en dia es coneixen altres objectes celestes que anomenem galàxies actives o galàxies de nucli actiu (AGN, sigles en anglès). Aquests objectes es van descobrir a la dècada dels anys seixanta del segle XX i s’observen, majoritàriament, en longitud d’ona de ràdio, tot i que també emeten un xic en el visible. Són, depenent de la orientació amb la qual els observem, els quàsars i els blàzars. Que no són més que el mateix tipus d’objecte observat de formes diferents.

El depredador de l'Àrtic

L’ós polar (Ursurs maritimus en llatí i nanook en inuit) es troba competint per el primer lloc en ser el carnívor terrestre més gran de tota la Terra junt amb el seu cosí l’ós Kodiak. La seva alimentació es basa en foques, morses, petites balenes i algun peix de tant en tant.

Es tracta d’un enorme mamífer que es troba entre els 2 i 2’6 metres de llargada i pesa entre 350 i 680 kg (durant l’hivern perden molta massa corporal a causa de la hibernació que duen a terme durant els foscos mesos de fred).

Aquests óssos tenen uns sentits de l’olfacte i l’oïda extraordinaris, molt més fins que els de qualsevol gos. Milers d’anys d’evolució han anat aguditzant els sentits i les característiques d’aquest fascinant animal per a adaptar – lo a les condicions tan particulars de l’Àrtic, la regió més hostil del nostre planeta.

Les dues condicions més importants per a un caçador a l’Àrtic (i l’ós polar és el caçador àrtic per excel·lència) són: estar protegit del fred i un camuflatge per a passar desapercebut. Si ens fixem en la coloració de l’ós aquestes dues condicions indispensables semblen contradictòries: per a passar desapercebut a l’Àrtic, el pelatge ha de ser blanc, però és sabut que el color que absorbeix millor la radiació solar i, per tant, ajuda a retenir més calor a dins del cos és el negre. Com soluciona aquesta contradicció l’ós? Resulta que, al contrari del que hom s’esperaria, sota la mata de pèl (que proporciona un bon aïllament tèrmic), la pell de l’ós és de color negre!!

Però, és clar, si el pèl que recobreix la seva pell és blanc, aquest inutilitza la capacitat de la pell negra d’aconseguir captar radiació solar!! El que succeeix és que el pèl de l’ós no és blanc!! És transparent!! La radiació solar travessa el seu pelatge i queda absorbida per el color negre; l’aparença blanca de l’ós polar es deu al fenomen òptic que pateix la llum quan travessa i es reflexa en el conjunt de cànules transparents que conformen el pelatge del gran depredador polar.

L’ós polar no té cap depredador en el seu hàbitat natural. Això fa que sigui un animal terriblement curiós capaç de nedar molts quilòmetres per a trobar menjar.

Sorprenentment, tot i arribar a pesar més de mitja tona, és capaç de caminar sobre les plaques de gel que es trencarien sota el pes d’un home adult. Això es deu a la constitució de les seves potes. A més, és un excel·lent nedador, capaç de caçar foques enmig d’una tempesta o fugir bussejant dels caçadors inuit.  

Un parell de curiositats més d’aquest animal són la seva doble parpella (que protegeix els seus ulls de la sal de l’aigua, el gel i la radiació solar durant els mesos de lluentor total) i que, segons diuen els inuit, és un animal esquerrà! Utilitza la urpa esquerra per a donar cops letals a les seves presses!

Química de cinema

Georges Méliès era un mag il·lusionista francès que es va veure captivat per les possibilitats de les càmeres fotogràfiques en els espectacles de màgia. És considerat l’inventor dels efectes especials, i moltes de les seves gravacions originals, antigament donades per perdudes, s’han pogut recuperar gràcies a la Química.

Els avenços científics i tecnològics van poder fer possible la invenció del cinema a partir de la fotografia. Els germans Lumière varen ser dels primers en aconseguir dotar de realitat a les imatges en moviment (el famós ensurt del públic del cinema al creure que el tren que “sortia” de la pantalla els atropellaria), ja que originalment les cintes de cinema estaven fetes de paper: un material molt fràgil que feia que els fotogrames es veiessin a “salts” i a trossos.

Per aquestes raons, al segle XIX, es va passar del paper al cel·luloide, que no és altra cosa que el nom comercial del nitrat de cel·lulosa (sintetitzat per primer cop l’any 1845 per Christian Schönbein) acondicionat per a fotografia o cinema. Es tracta d’un material molt flexible i alhora resistent a la humitat i a les tensions, no obstant, es tracta d’un material molt inflamable, fet que provocava grans riscos d’incendi a les sales on es guardava i manipulava la cinta de vídeo.

El cel·luloide es tracta d’un polímer que s’ha emprat per a una gran diversitat de camps: per a explosions, com a propalant en els motors dels coets, per a fotografia i pintura, i per al cinema, on es va utilitzar fins al 1940, que se’l va substituït per altres compostos, com ara: triacetat de cel·lulosa i poliester.

La degradació del nitrat de cel·lulosa, a causa de la desnitratització (desaparició de nitrats), dels suports cinematogràfics es fa present amb la edat de cada pel·lícula. Dominant aquesta degradació espoden intentar restaurar les cintes antigues (com en el cas de les del genial Méliès)!!!

Per saber – ne més:

• Vídeo d’elaboració de nitrat de cel·lulosa: http://www.youtube.com/watch?v=U8ANe3yvvUc