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/

La dispersió de Rayleigh: Per què el cel és blau i els núvols blancs?

La principal raó de que el cel sigui blau es deu a la anomenada dispersió de Rayleigh (en honor al físic Lord Rayleigh).

La dispersió de Rayleigh és la dispersió de la llum visible (o de qualsevol altre tipus de radiació electromagnètica) a causa de xoc amb partícules molt menors que la longitud d’ona dels fotons (partícules de llum) dispersats en aquest “xoc”.

Si la mida de les partícules és més gran que la longitud d’ona, la llum no se separa i les longituds d’ona no es dispersen. Això és el que succeeix quan la llum travessa un núvol, neu, grans de sal o de sucre.

La mida de les partícules dels gasos atmosfèrics és menor que la longitud d’ona de la llum blava (que és la que té més facilitat per a dispersar – se), això fa que els raigs de llum blava de la llum que ens arriba del nostre Sol es dispersin fent zig – zag per tota la atmosfera i que quan arribin als nostres ulls “ens sembli” que tot el cel és blau.

Quan el Sol es pon, els raigs de llum han de travessar més partícules (més volum de gas atmosfèric) per a arribar als nostres ulls, i per això el cel es veu vermellós.

S’ha observat que desprès d’una explosió volcànica les sortides i postes de Sol són més espectaculars i excepcionals a la regió de la erupció.

Per a entendre una miqueta més la dispersió: la dispersió de la llum és un fenomen fàcilment observable amb un prisma de vidre (Isaac Newton va deduir les bases de la Òptica experimentant amb un prisma). Quan la llum incideix sobre un prisma de vidre, la seva trajectòria es desvia una miqueta, i en sortir del prisma podem veure un curiós i petit arc de Sant Martí (com amb el clàssic dibuix de Pink Floyd). Aquest fenomen és el que anomenem dispersió de la llum.

Podem observar que el color blau es desvia més que el color vermell, la qual cosa coincideix amb el raonament explicat anteriorment de la dispersió de Rayleigh!

L'ull com a instrument òptic

Sense cap mena de dubte, l’aparell òptic més important per a nosaltres és l’ull.

La llum entra a l’ull per una obertura de mida variable (la pupil·la), que és controlada per l’iris, i, per efecte de la còrnia i del cristal·lí, convergeix fins a formar una imatge a sobre de la retina.

La retina té una fina capa de fibres nervioses  i unes estructures sensibles anomenades cons i bastons, que reben la imatge i en transmeten la informació al llarg del nervi òptic fins al cervell on es processa la informació i es forma la imatge de manera mental.

La forma de la lent cristal·lina (cristal·lí) es pot modificar lleugerament mitjançant l’acció del múscul ciliar. Quan l’objecte observat s’apropa a l’ull, el múscul ciliar es tensa i fa augmentar lleugerament la curvatura del cristal·lí, de manera que la distància focal d’aquest disminueix i la imatge es torna a enfocar a la retina. Aquest procés s’anomena acomodació.

Si l’objecte es troba massa a prop de l’ull, la lent no pot enfocar la llum a la retina i la imatge queda borrosa. El punt més proper al qual podem col·locar un objecte i enfocar – lo correctament és, evidentment, el punt proper. La distància de l’ull al punt proper varia molt d’una persona a una altra i amb l’edat. Als deu anys, el punt proper està situat només a 7 cm de distància de l’ull, mentre que als seixanta anys pot allunyar – se fins als 2 metres!!! De mitjana, el punt proper de l’ull humà es pren a uns 25 cm.

A vegades l’ull pateix un excés de divergència en el seu enfocament de la llum, es tracta de la hipermetropia: la imatge es forma més enllà de la retina i no queda ben definida. Es pot corregir mitjançant una lent convergent que compensi la divergència de l’ull hipermetrop.

La miopia és el cas contrari a la hipermetropia: la imatge es forma en un punt situat davant de la retina a causa d’un excés de convergència en la lent. Podem corregir la miopia emprant una lent divergent per a compensar aquest excés de convergència.

Un altre defecte habitual de la visió humana és l’astigmatisme, que es deu al fet que la còrnia no és perfectament esfèrica, sinó que presenta diferents tipus de curvatura. Es pot corregir emprant lents cilíndriques en comptes de les habituals lents esfèriques.

Finalment, la acromatòpsia és un defecte dels cons, que fa que la persona acromatòpsica només pugui veure en blanc i negre. No s’ha de confondre amb el daltonisme, en que la persona confon els colors.

A la part exterior de l’ull hi ha:

• Les parpelles: Són com unes portes de pell que s’obren i es tanquen. Serveixen per protegir els ulls de la llum i de la pols.

• Les pestanyes: són unes files de pèls que hi ha a l’extrem de les parpelles. Eviten que entri pols o sorra als ulls.

• La cella: esta formada pels pèls situats damunt de les parpelles. Eviten que les gotes de suor o aigua caiguin als ulls.

• El lacrimal: és la bosseta que produeix les llàgrimes, les llàgrimes serveixen per rentar l’ull.

Com es forma una aurora polar?

La aurora polar és un curiós fenomen atmosfèric que pot observar – se als pols del nostre planeta, tot i que a vegades podem observar – la en altres regions del planeta durant curts períodes de temps. Al pol nord es coneix com aurora boral mentre que al pol sud es coneix com aurora austral.

La aurora es produeix quan una ejecció de massa solar xoca amb la regió de la magnetosfera terrestre corresponent als pols del planeta.

El Sol produeix uns fenòmens eruptius coneguts com a tempestes solars que expulsen radiació electromagnètica i partícules carregades a l’espai.

La radiació i les partícules carregades elèctricament es dirigeixen a gran velocitat cap a la Terra. Al arribar a prop de la magnetosfera terrestre, el vent solar, comprimeix el camp magnètic de la Terra.

Durant aquesta compressió es genera una gran quantitat d’energia que impulsa als electrons (partícules carregades) cap a l’atmosfera, al llarg de les anomenades línies de camp.

Al entrar en contacte amb l’atmosfera, els electrons exciten els gasos atmosfèrics del nostre planeta i aquests emeten llum i color. Acaba de néixer una aurora!