770 Zenbakia 2022-03-16 / 2022-04-20

Gaiak

Argiaren enigma. Argia zer den ulertzeko ahaleginaren historia laburra

ETXEBARRIA BILBAO, Jose Ramon

Artikulu hau Zientzia euskaraz Nafarroan hitzaldi zikloan jorratuko den gaia izango da.


Argiaren presentzia etengabekoa da gure bizitzan. Argiak inguruko mundua erakusten digu eta hari esker egin ditzakegu bizimodu normaleko ekintza gehienak. Baina ba ote dakigu, benetan, argia zer den? Betidanik izan da kontzeptu enigmatikoa, eta antzinatik saiatu da gizakia hura ulertzen; halere, hain “etereoa” izanik, ibilbide oso luzea egin behar izan dute zientzialariek, gaur egungo ezagutzara iritsi arte. Artikulu honetan, historia horren laburpena kontatzen da pausoka, zientziaren metodologiaren azalpen pedagogikoa eman nahirik.

Euklides-en argi-izpia eta islapena

Argiaren izaerari buruzko lehenengo testigantza Grezia zaharreko Naturaren filosofoengandik iritsi zitzaigun. Preseski, Platon-i jarraituz, Euklidesek (K.a. 323-283) «ikusmena begietatik igortzen diren izpiek sortua» zela esan zuen. Ideia okerra, gaur egungo Supermanen “superikusmena” gogorarazten diguna. Halere, 2002an eginiko ikerketa baten arabera.  Ameriketako Estatu Batuetako pertsona helduen % 50ek sinesten dute argiaren emisioaren teoria horretan.

Euklides, argi-izpiak, islapena eta errefrakzioa.

Nolanahi dela, Euklidesek argi-izpi kontzeptua ere proposatu zuen orain dela 2400 urte inguru. Eta argi-izpien ideia hori funtsezkoa izan zen argiaren ibilbide zuzena azaltzeko, eta baita zenbait gainazaletan argiak jasaten zuen islapena eta errefrakzioa ere.

Argiaren abiadura finitua

Greziako hasiera hartatik aurrera, Erdi Aroan zehar, argiaren abiadura infinitua zela uste zen. Baina 1676an Ole Rømer-ek (1644-1704) neurketa arrakastatsu bat egin zuen bere teleskopioarekin, eta abiaduraren balioa kalkulatu zuen. Nola?

Rømer konturatu zen Jupiterren eklipseen eta beraren ilargien arteko denbora-tartea laburragoa zela Lurra Jupiterrerantz hurbiltzen zenean Jupiterretik urruntzen zenean baino. Teleskopioaren bidez Jupiterren Io satelitea arretaz behatuz kalkulatu zuenaren arabera, argiak hogeita bi minutu behar zituen Lurraren orbitaren diametroa gurutzatzeko (neurketa modernoen arabera hamazazpi minutu inguru dira). Horrela argiaren abiadura finitua zela frogatu zuen eta, gainera, 220.000 km/s balio zuela. Gaur egun onartutako balioa  299.792.458 m/s da; garai hartako baliabideak kontuan izanik, emaitza bikaina.

Huygens-en teoria ondulatorioa

Rømerrek bere kalkulua egin eta gutxira, Huygensek bere teoria ondulatorioa proposatu zuen: argia espazioan zehar hedatzen zen uhin bat zen. Bestela esanda, ingurune batean hedatzen den perturbazio bat zen, soinua airean edo olatuak uretan zabaltzen diren antzekoa. Teoria hori Traité de la lumière liburuan argitaratu zuen 1690ean.

Uhinen perturbazioaren eskema.

Huygensen teoriak onarpen zabala izan zuen, ederki azaltzen baitzuen argiaren portaera errefrakzioa, dispertsioa eta difrakzioa deritzen fenomenoetan. Errefrakzioa da dentsitate optiko desberdina duten bi inguruneren banaketa-gainazala zeharkatzean argiak jasaten duen norabide-aldaketa, kasurako urez beteriko edalontzi gardenean makilatxo zuzen bat sartzean kanpotik ikusten duguna. Edota ostadarraren koloreen sorreran dagoen fenomenoa, dispertsioarekin batera.

Argiaren errefrakzioa eta dispertsioa.

Bestalde, izaera ondulatorioaren kausaz, uhinak bere uhin-luzeraren tamainako oztopoak edo zuloak aurkitzean sortzen den fenomeno-multzoa da difrakzioa. Labur azalduta, oztopoa edo zuloa uhinaren hedapeneko iturri sekundarioa bihurtzen da. Eta argiaren kasuko difrakzioa ere azalduta geratzen zen teoria hartan.

Uhinen difrakzioa.

Gauzak horrela, momentuz, bazirudien Huygensen teoria zuzena zela, nahiz eta oraindik arazo bat zeukan uhin haiek hedatzen ziren inguruneari zegokionez, zeren airean eta material gardenetan ingurune materiala zegoen arren, argia hutsean ere hedatzen baitzen, eta han ez baitzegoen materiarik. Zein ote zen ingurune misteriotsu hori?

Newton-en teoria korpuskularra

Huygensen teoria arrakastaz zabaldu zen berehala, baina kontua handik gutxira hasi zen korapilatzen. Bereziki, 1704an Newtonek Optics liburua argitaratu zuenean eta bertan argiaren teoria korpuskularra proposatu zuenean, eta teoria horren funtsa esaldi honetan bildu zuenean: «Argia ibilbide zuzenez dabiltzan partikula oso txikiz osatuta dago, eta ez uhinez».

Huygensen eta Newtonen teoriak kontrajarriak ziren, bistan denez. Alabaina, 1671n argitaraturiko Principia liburuak Newtoni emandako prestigioa zela eta, zientzialari askok teoria korpuskularra hobetsi zuten XVIII. mendean. Izan ere, Huygensen uhinak ingurune bat behar zuen hedatzeko, eterra, inork dentifikatu ezin zuena. Ordea, Newtonen teoriak ez zuen arazorik partikulak hutsean ere, eterrik gabe, higi zitezkeela adierazteko.

Beraz, fisikariak erabaki ezinik geratu ziren, ordura arteko bi teorien artean aukeratzeko.

Young eta argiaren interferentziak

Mende bat beranduago, 1801ean, Thomas Young-ek (1773-1829) eginiko esperimentu ospetsu batean, argiarekin ere interferentziak gertatzen zirela frogatu zuen, eta fenomeno hori teoria ondulatorioarekin uler zitekeela soilik. Bestela esanda, Newotren teoria korpukularraren bidez ezin zen horrelako emaitzarik ulertu, alegia, ezin zen fenomeo hori esplikatu.

Bi zirrikituen esperimentuko interferentziak.

Arrazoi hori funtsezkoa izan zen ordura arteko bi teorien arteko aukera erabakitzeko. Hortik aurrera, Huygensen teoria nagusitu zen zientzialarien artean.

Maxwell, uhin elektromagnetikoak eta argia

Elektromagnetismoaren garapena XIX. mendean zehar gauzatu zen, eta gailurrera iritsi zen James Clerk Maxwell-ek (1831-1879) bere lau ekuazio ospetsuak bildu zituenen 1865ean. Ekuazio horietan oinarriturik, uhin elektromagnetikoen existenzia iragarri zuen teorikoki, baita haien hedapen-abiadura kalkulatu ere, ondorioztatuz ezen abiadura hori argiaren abiaduraren baliokidea zela. Iruzkin bitxi hau egin zuen: «Emaitza hori onartuz, zaila da ez ondorioztatzea argia ez dela zeharkako uhin bat, uhin elektromagnetikoen ingurune berean hedatzen dena».

Uhin elektromagnetikoen eskema.

Argiaren uhin-teoriaren aldekoa zen emaitza hori. Baina Huygensen teoriaren arazo bat geratzen zen argitu gabe: zer ingurunetan hedatzen ote zen argia? Erantzunik ezean, “eter” hipotetikoaren bila segitu beharko zuten.

Hertz eta uhin elektromagnetikoen detekzioa

1887an Heinrich Hertz-ek (1857-1894) oszilagailu elektriko bat eraiki zuen  Karlsruhe-ko unibertsitatean. Oszilagailu hura  baliatuz, uhin elektromagnetikoak detektatu zituen lehenengo aldiz 1888ko martxoaren 15ean. Horrela, Maxwellek teorikoki aurresandako uhinak benetan existitzen zirela frogatu zuen. Beraren ohorez, gaur egun uhin elektromgnetikoei uhin hertziarrak ere esaten zaie.

Anekdota esanguratsu bat kontatzen da aurkikuntza horretaz. Ikasle batek uhin elektromagnetikoen erabilera praktikoari buruz galdetu zionean, Hertzek erantzun omen zion ez zuela uste inolako aplikaziorik izango zutenik. Ez zen oso fin ibili, ez horixe! Dena den, geroago efektu fotoelektrikoa ere aurkitu zuen. Einstenek 1905ean eman zuen efektu fotoelektrikoaren azalpena.

Michelson eta Morley eterraren bila

Eterraren ustezko propietateak hipotesitzat harturik, Albert Abraham Michelson-ek (1852-1931) eta Edward Williams Morley-k (1838-1923) argiaren abiaduraren aldaketak neurtzeko esperimentu berezia prestatu zuten. Horretarako, doitasun handiko interferometro bat prestatu zuten, eta haren bitartez esperimentu oso irudimentsu bat prestatu zuten 1887an, bi norabide perpendikularretan argia ustezko eterrarekiko abiadura desberdinez higitu behar zela suposatuz, eta horren arabera bi norabide horieten bananduriko izpien arteko interferentzia-lerroak agertuko zirela pentsatuz.   

Michelsonek eta Morleyk erabilitako interferometroaren eskema.

Ordea, usteak ustel gertatu zitzaizkien. Interferometroa norabide desberdinetan jarrita, esperimentua zenbait aldiz errepikatu arren, eta urte-garai deberdinetan egin arren, interferentzia-lerroetan aldaketarik ez zegoela konturatu ziren. Itxuraz, egindako ahaleginak porrota ekarri zen. Haatik, urte batzuk geroago, emaitza negatibo hura eterraren existentziaren ukapentzat hartuko zen. Ez zen izan benetako porrotik.

Lorentzen proposamen  bitxia: objektuen luzeraren uzkurdura

Michelson eta Morley-ren esperimentua-ren porrota azaltzeko, Hendrik Antoon Lorentz-ek (1853-1928) hipotesi bitxi hau proposatu zuen: «Abiadura handiz higitzen ari den gorputzaren luzera txikiagotu egiten da higiduraren norabidean, gero eta gehiago argiaren abiadurara hurbildu ahala». Hain zuzen, uzkurdura proposatu zuen, porrotaren kausa azaltzen zuena. Baina itxurazko azalpena izan zen, hipotetikoa, ad hoc jarria. Oraindik zutik zegoen argiaren teoria ondulatorioa.

Planck-en proposamena: argia partikula fotoiz osatuta dago

Mende berriarekin, Max Planck-ek (1858-1947) proposamen berri hauek egin zituen 1900ean. Batetik adierazi zuen,  energia “pakete” txikietan (quantum deitu zien) emititzen eta absorbatzen zela (gaur egun, partikula horiei fotoi deritze); eta bestetik, Fisikaren oinarrizko konstante bat aurkitu zuen, fotoi bakoitzaren energia zehazteko balio duena. Gaur egun Planck-en konstantea deritzo eta balio hau du:


 

Fotoiari (argi-partikula) zegokion energia (E) erradiazioaren frekuentziaren (n) proportzionala zen:


 

Agerikoa denez, proposamenok argiaren teoria korpuskularraren aldekoak ziren.

Einstein-en proposamen harrigarriak

Gauzak horrela, arazoaren argipena Albert Einstein-ek (1879-1955) gauzatu zuen bere Annus mirabilis-ean, 1905ean, argitaraturiko lanetan.

Hasteko, efektu fotoelektrikoa aztertzean, argia energia-sortatan bakarrik igor zitekeela azaldu zuen; horrela, Planck-en quantum berberak onartu zituen. Bestetik, erlatibitatearen teoriaren oinarrizko postulatua proposatu zuen: Michelson eta Morley-ren esperimentuko porrota ulertarazten zuen argiaren abiadurarena, honelaxe formulatuz: «Argiaren hutseko abiadura konstante unibertsala da». Horren ostean ez zegoen Lorentzen proposamena bere hartan onartu beharrik. Bestalde, argi zegoen Michelsonek eta Morleyk izandako porrotaren arrazoia: nola aurkituko zuten eterra, eterrik existitzen ez bazen.

Argiaren abiaduraren konstantetasunetik abiaturik, ondorio harrigarriak plazaratu zituen Einsteinek:

  • Argiaren abiadura, c, materiaren muga-abiadura da. Materiaren abiadura, v, beti da argiarena baino txikiagoa:

 

Partikula baten masa, m, handiagotu egiten da abiadura handitu ahala:


 
  • Argia argiaren abiaduraz doanez, fotoiak pausaguneko “masa nulua” du:

 
  • Masa eta energia gauza berbera dira:

 
  • Fotoiaren energia dagokion uhin-frekuentziaren multiploa da:

 
  • Oinarrizko mailan, argia partikula edo uhin modura agertzen da. Huygensek eta Newtonek bi arrazoia zuten. Argiak bi “aurpegi” ditu: uhina eta partikula.

De Broglie, uhin-partikula bitasuna 1924an

Aurreko pausoa biribiltzeko, Louis de Broglie-ek (1892-1987) beste proposamen bat egin zuen 1924an: «Materia orok uhinei eta partikulei dagozkien ezaugarriak ditu, eginiko esperimentuaren arabera». Bestela esanda, oinarrizko partikulek (elektroiak, protoiak…) eta erradiazio elektromagnetikoak (argia barne) uhin edo partikula gisako portaera erakuts dezakete, prozesua zein den arabera.

Hipotesi hori frogatuta geratu zen 1927an elektroiekin eginiko bi esperimentu independentetan.

Teoria fisikoei buruzko bukaerako gogoeta

Teoria fisikoak mendeetan zehar eraikitako eraikuntza intelektual kolektiboak dira, zientzia diren aldetik. Nolabait esateko, proposamen horiek imajinarioak dira, teorikoak, praktika errealak epaituak izan behar dutenak.

Halere, teoria fisikoek unibertsalak izateko helburua dute, munduko zientzialari guztiek eta edonon onartuak izatekoak. Bestela ez dira zientzia. Nolanahi dela, behin-behineko “egiak” dira, fenomeno berriak edo neurketa zehatzagoak egitean behin eta berriro egokitu beharrekoak. Izan ere, teoria bat zuzentzat hartzen da, harik eta azaldu ezin duen fenomeno bat agertzen ez den artean soilik. Hori gertatzean, aldatu egin behar izaten da teoria zenbait puntutan, Naturaren izaerara egokitzeko.

Zeren, azken batean, teoriak Naturako fenomeno baten izaera azaltzeko proposatzen diren egitura logiko imajinarioak dira, gizakiok asmatutakoak, Naturaren portaera erreala zein den erakusteko diseinaturiko azalpenak. Baina Natura da beti teoria fisikoen zuzentasuna erabakitzen duen epailea.


Eusko Jaurlaritza