Comportamentul luminii – Teoria electromagnetismului a lui Maxwell

Figura 5.1 Soarele nostru în lumină ultravioletă. Această fotografie a Soarelui a fost făcută la mai multe lungimi de undă diferite de ultraviolete, pe care ochii noștri nu le pot vedea, și apoi a fost codificată cu culori, astfel încât să dezvăluie activitate în atmosfera Soarelui nostru care nu poate fi observată în lumina vizibilă. Acesta este motivul pentru care este important să observați Soarele și alte obiecte astronomice în lungimi de undă altele decât banda vizibilă a spectrului. Această imagine a fost făcută de un satelit de deasupra atmosferei Pământului, ceea ce este necesar deoarece atmosfera Pământului absoarbe o mare parte din lumina ultravioletă care vine din spațiu.

Cea mai apropiată stea este atât de departe încât cele mai rapide nave spațiale construite de oameni ar avea nevoie de aproape 100.000 de ani pentru a ajunge acolo. Cu toate acestea, dorim foarte mult să știm din ce material este compusă această stea vecină și cum diferă ea de propriul nostru Soare. Cum putem afla despre alcătuirea chimică a stelelor pe care nu putem spera să le vizităm sau să le eșantionăm?

În astronomie, majoritatea obiectelor pe care le studiem sunt complet dincolo de unde putem ajunge noi. Temperatura Soarelui este atât de ridicată încât o navă spațială ar fi prăjită cu mult înainte de a ajunge la ea, iar stelele sunt mult prea departe pentru a fi vizitate în timpul vieții noastre cu tehnologia disponibilă acum. Chiar și lumina, care călătorește cu o viteză de 300.000 de kilometri pe secundă (km/s), are nevoie de mai mult de 4 ani să ajungă de la noi de la cea mai apropiată stea. Dacă vrem să învățăm despre Soare și stele, trebuie să ne bazăm pe tehnici care ne permit să le analizăm de la distanță.

Comportamentul luminii

Codată în lumina și alte tipuri de radiații care ajung la noi de la obiectele din univers, există o gamă largă de informații despre cum sunt acele obiecte și cum funcționează. Dacă putem descifra acest cod și citi mesajele pe care le conține, putem afla o cantitate enormă de informații despre cosmos, fără a fi nevoie să părăsim vreodată Pământul sau mediul său imediat.

Lumina vizibilă și alte radiații pe care le primim de la stele și planete sunt generate de procese la nivel atomic – prin schimbări în modul în care părțile unui atom interacționează și se mișcă. Astfel, pentru a aprecia modul în care este generată lumina, trebuie să explorăm modul în care funcționează atomii. Există un pic de ironie în faptul că, pentru a înțelege unele dintre cele mai mari structuri din univers, trebuie să facem cunoștință cu unele dintre cele mai mici.

Observați că am folosit de două ori expresia „lumină și alte radiații”. Una dintre ideile cheie explorate în acest capitol este că lumina vizibilă nu este unică; este doar exemplul cel mai familiar al unei familii mult mai mari de radiații care ne poate transporta informații.

Cuvântul „radiație” va fi folosit frecvent în această carte, așa că este important să înțelegem ce înseamnă. În limbajul de zi cu zi, „radiația” este adesea folosită pentru a descrie anumite tipuri de particule subatomice energetice eliberate de materialele radioactive în mediul nostru. (Un exemplu este tipul de radiație folosit pentru a trata unele tipuri de cancer.) Dar nu la asta ne referim când folosim cuvântul „radiație” într-un text de astronomie. Radiația, așa cum este folosită în această carte, este un termen general pentru undele (inclusiv undele luminoase) care radiază spre exterior de la o sursă.

După cum am văzut în Orbite și gravitație, teoria gravitației a lui Newton ține cont de mișcările planetelor, precum și ale obiectelor de pe Pământ. Aplicarea acestei teorii la o varietate de probleme a dominat munca oamenilor de știință timp de aproape două secole. În secolul al XIX-lea, mulți fizicieni s-au orientat către studiul electricității și magnetismului, care sunt strâns legate de producerea luminii.

Omul de știință care a jucat un rol în acest domeniu comparabil cu rolul lui Newton în studiul gravitației a fost fizicianul James Clerk Maxwell, născut și educat în Scoția (Figura 5.2). Inspirat de o serie de experimente ingenioase care au arătat o relație intimă între electricitate și magnetism, Maxwell a dezvoltat o teorie care descrie atât electricitatea, cât și magnetismul cu doar un număr mic de ecuații elegante. Această teorie este cea care ne oferă perspective importante asupra naturii și comportamentului luminii.

Figura 5.2 James Clerk Maxwell (1831–1879). Maxwell a unificat regulile care guvernează electricitatea și magnetismul într-o teorie coerentă.

Teoria electromagnetismului a lui Maxwell

Ne vom uita la structura atomului în detaliu mai târziu, dar începem prin a observa că atomul tipic constă din mai multe tipuri de particule, dintre care unele au nu numai masă, ci și o proprietate suplimentară numită sarcină electrică. În nucleul (partea centrală) fiecărui atom se află protoni, care sunt încărcați pozitiv; în afara nucleului se află electronii, care au o sarcină negativă.

Teoria lui Maxwell se ocupă de aceste sarcini electrice și de efectele lor, în special atunci când se mișcă. În vecinătatea unei sarcini electronice, o altă sarcină poate simți o forță de atracție sau de repulsie: sarcinile opuse se atrag; ca taxele se resping. Când sarcinile nu sunt în mișcare, observăm doar această atracție sau repulsie electrică. Totuși, dacă sarcinile sunt în mișcare (cum sunt în interiorul fiecărui atom și într-un fir care transportă un curent), atunci măsurăm o altă forță numită magnetism.

Magnetismul a fost bine cunoscut pentru o mare parte din istoria umană înregistrată, dar cauza sa nu a fost înțeleasă până în secolul al XIX-lea. Experimentele cu sarcini electrice au demonstrat că magnetismul este rezultatul mișcării particulelor încărcate. Uneori, mișcarea este clară, ca în bobinele de sârmă din care se realizează un electromagnet industrial. Alteori, este mai subtil, ca în genul de magnet pe care îl cumpărați dintr-un magazin de hardware, în care mulți dintre electronii din interiorul atomilor se rotesc aproximativ în aceeași direcție; alinierea mișcării lor este cea care face ca materialul să devină magnetic.

Fizicienii folosesc cuvântul câmp pentru a descrie acțiunea forțelor pe care un obiect o exercită asupra altor obiecte îndepărtate. De exemplu, spunem că Soarele produce un câmp gravitațional care controlează orbita Pământului, chiar dacă Soarele și Pământul nu vin direct în contact. Folosind această terminologie, putem spune că sarcinile electrice staționare produc câmpuri electrice, iar sarcinile electrice în mișcare produc și câmpuri magnetice.

De fapt, relația dintre fenomenele electrice și magnetice este și mai profundă. Experimentele au arătat că câmpurile magnetice în schimbare ar putea produce curenți electrici (și, prin urmare, câmpuri electrice în schimbare), iar curenții electrici în schimbare ar putea produce, la rândul lor, câmpuri magnetice în schimbare. Deci, odată începute, schimbările câmpului electric și magnetic ar putea continua să se declanșeze reciproc.

Maxwell a analizat ce s-ar întâmpla dacă sarcinile electrice ar oscila (s-ar deplasa constant înainte și înapoi) și a descoperit că modelul rezultat al câmpurilor electrice și magnetice s-ar extinde și s-ar deplasa rapid prin spațiu. Ceva similar se întâmplă atunci când o picătură de ploaie lovește suprafața apei sau o broască sare într-un iaz. Perturbarea se deplasează spre exterior și creează un model pe care îl numim undă în apă (Figura 5.3). Ați putea, la prima vedere, să credeți că există foarte puține situații în natură în care sarcinile electrice oscilează, dar nu este deloc așa. După cum vom vedea, atomii și moleculele (care constau din particule încărcate) oscilează înainte și înapoi tot timpul. Perturbațiile electromagnetice rezultate sunt printre cele mai frecvente fenomene din univers.

Figura 5.3 Producerea de unde. O oscilație într-un bazin de apă creează o perturbare în expansiune numită undă. Credit: Alexas_Fotos, Pixabay

Maxwell a fost capabil să calculeze viteza cu care o perturbare electromagnetică se mișcă prin spațiu; a descoperit că este egală cu viteza luminii, care fusese măsurată experimental. Pe această bază, el a speculat că lumina este o formă a unei familii de posibile perturbații electromagnetice numite radiații electromagnetice, concluzie care a fost din nou confirmată în experimentele de laborator. Când lumina (reflectată din paginile unui manual de astronomie, de exemplu) intră într-un ochi uman, câmpurile sale electrice și magnetice în schimbare stimulează terminațiile nervoase, care transmit apoi informațiile conținute în aceste câmpuri în schimbare către creier. Știința astronomiei se referă în primul rând la analiza radiațiilor de la obiecte îndepărtate pentru a înțelege ce sunt acestea și cum funcționează.

Sursa: Astronomy 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2022 MultiMedia Publishing