Soinuaren azterketa egin ondoren pasa gaitezen fisikan garrantzi handikoa den beste uhin bat aztertzea: argia, hain zuzen ere. Lehenik eta behin argiaren izaeraren inguruan egon diren teoria desberdinak aztertuko ditugu

Kanpo-munduari buruz ditugun ezaguera gehienak ikusmen eta entzumenaren bitartez jasotzen ditugula baiezta daiteke. Horregatik, hasiera batean ondoko defini­zioa eman dezakegu:

Argia gure ikusmen-sentimena eraginez, inguruko gorputzak ikuskor bihurtzen dituen oro da.

Baina argiaren definizio hau zabala eta zehaztugabea da, ikusten ez dugun “argirik” eta objektuak ikuskorrak bihurtzen ez dituenik badira eta.

Egia esan, argia zer den azal diezagukeen EREDU bat onartu beharra dugu, eta gainera, ezagutzen diren fenomeno optikoak ulertzeko baliagarria izango dena, hala nola, argiaren hedapena, islapena, errefrakzioa, difrakzioa, interferentziak…

Argiaren izaeraren zehaztapenak zientziaren historian izan den eztabaidarik handiena eragin du. Une historiko ezberdinetan ezagutzen ziren fenomeno fisikoak azaltzeko erabilitako teoriak baztertzen joan ziren ezaguera berriak lortzen ziren heinean.

Atentzioa merezi izan zuten lehen hipotesi zientifikoak XVII. mendeko ia une berean ezarriak izan ziren Isaac Newton (1642-1727) eta Christian Huygens (1629-1695) zientzialariei esker. Elkar kontrajartzen ziren bi teoria hauek NEWTON-EN TEORIA KORPUSKULARRA eta HUYGENS-EN TEORIA ONDULATORIOA izenez ezagutzen dira eta ondoren etorri ziren teorien oinarrian bilakatu ziren.

Argiaren Teoria Korpuskularra

1671ean Isaac Newton fisikari ingelesak garatu zuen teoria honen arabera, argia argi-fokuak egindako materiazko korpuskulu txikien igorpena edo proiekzioa zen (Newtonek “ateak” zirela zioen), eta korpuskulu horiek abiadura handietan eta lerrozuzenean (inertziaren ondorioz) hedatzen ziren ingurune garden eta homogeneo orotan.

Eredu korpuskular honek, argia lerrozuzenean hedatzeaz gain oso ondo azaltzen du islapena ere, eta eredu honen arabera argia argi-korpuskuluek argiztaturiko gorputzen gainazalekin dituzten talka elastikoen ondorioz sortzen da. Marruskadurarik ez badago, partikularen abiaduraren osagai tangentziala ez da aldatzen, baina aldiz, gainazalarekiko osagai normala alderantzikatzen da, argiaren partikulen eta argiztaturiko gorputzaren partikulen artean dagoen masa ezberdintasun izugarriaren ondorioz. Honegatik, eraso eta islapen angeluak berdinak dira

Errefrakzioari dagokionez, argiak ingurune batetik bestera igarotzean jasaten duen bat-bateko abiadura aldaketa azaltzeko Newtonek distantzia oso txikitan eragiten duten indarrak daudela onartzen du; indar hauek ingurune biak bereizten dituen gainazalaren inguruan, argiaren korpuskuluen artean eta atomo materialetan dihardute. Indar hauek ez dute abiaduraren osagai tangentzialean eragiten, baina bai osagai normalean eta ondorioz muga gainazala zeharkatzean argi-sortaren norabidea aldatzen da. Teoria honen arabera, argiaren osagai normala uretan, airean baina handigoa da eta ondorioz, argia airetik uretara pasatzen denean abiaduraren modulua handitu egiten da eta bere norabidea normalerantz hurbilduz aldatzen da.

Beraz, teoria korpuskularra onartzen bada ondokoa beteko da: argiaren abiadura uretan airean baino handiagoa izatea. Newtonen garaian ez zegoen argiak duen tamainako abiadurak neurtzeko baliabiderik, aurreko adierazpena frogatzeko edo ezeztatzeko baliagarria izan zitekeena. 1862 urtera arte itxaron behar izan zen, Jean Foucault frantziarrak esperimentalki frogatu zuen arte, Newtonek uste zuenaren aurka, argiaren abiadura txikiagoa zela ingurune dentsoetan eta balio maximoa, hutsean hedatzen zenean lortzen zuela.

Errefrakzioaz gain, eredu korpuskularrak “akatsak” ditu difrakzio eta interferentzia bezalako beste argi-fenomenoak azaltzerakoan. Hala ere, Newtonek zuen ospeak, bere garaiko zientzialari gehienek teoria korpuskularra onartzea eta mende bat baino gehiagoz Huygensek proposatutako uhin-ereduaren aurrean nagusitasuna izatea eragin zuen.

Argiaren Teoria Ondulatorioa

1678. urtean, Christian Huygens matematikari eta astronomo holandarrak, Robert Hookeren aurretiko lanetan oinarrituz, argia fokutik behatzaileraino hedatzen zen uhin higidura zela proposatu zuen.

Huygensek argi-uhinak luzerakoak zirela uste zuen, soinua bezala, eta bere teoriarekin islapen eta errefrakzio legeak azal zitezkeela frogatu zuen. Errefrakzioari dagokionez, lortzen den adierazpen matematikoa Snell-ek emandakoaren berdina da. Teoria korpuskularraren bitartez lortutakoaren alderantzizkoa da, bere egiaztapen esperimentala ia bi mende geroago arte burutzea ezinezkoa izan zena.

Hala ere, eredu honek ez zuen berehalako arrakasta izan arrazoi batzuengatik:

• Lehenik eta behin, garai hartan ezagutzen ziren uhin guztiak inguru materialetan zehar hedatzen ziren; argiak aldiz, Eguzkitik guregana espazioko hutsa zeharkatuz bidaiatzen zuen. Non zegoen uhinaren transmisiorako beharrezkoa zen ingurunea?
• Bestalde, argia uhin bat bazen, oztopoak inguratu beharko lituzke, soinuak egiten duen gisa, eta izkinen atzeko objektuak ikusteko gai izan beharko genuke. Gaur egun ezaguna da argiak difrakzioa izeneko ezaugarri hau duela, behatzeko zaila bada ere -eta are gehiago garai hartan-, argi-uhinak oso uhin-luzera txikikoak direlako. Horregatik, eta nahiz eta 1660an Francesco Maria Grimaldi (1618-1663) matematikari italiarrak argiaren difrakzioaren froga esperimentalak aurkitu zituen, zientzialari gehienak teoria ondulatorioa onartzeari uko egin zioten
• Teoria honen gutxiespena eragin zuen beste gertakari garrantzitsu bat -eta agian nagusia- garai hartan Newtonek zuen ospea izan zen, aurreko mendeetan soilik Aristotelesek zuenarekin konpara zitekeena

Argiaren Izaerari Buruzko Teoria Modernoak

XIX. mendearen hasieran izandako zenbait aurrerapenek argiaren izaera ondulatorioaren aldekoak izan ziren. Thomas Young (1773-1829) mediku eta fisikari ingelesak, bi uhinen gainezarmenaren ondorioz sortutako argi interferentzien fenomenoa azaldu zuen 1801ean eginiko esperientzia baten bitartez.

Young-en esperientzietan oinarrituz, Augustin Fresnel (1788-1827) fisikari frantziarrak argiaren polarizazioa azaldu zuen 1808an eta argiaren difrakzioa ere 1815ean. Fresnel-ek fenomeno hauek azaltzeko teoria korpuskularraren desegokitasuna erakutsi zuen eta proposamen berri bat egin zuen: argia zeharkako uhina zen.

1850ean Jean Foucault (1819-1868) fisikari frantsesak argiaren abiadura neurtzeko metodo ezberdinak erabiliz, argiaren abiadura uretan edo beiran airean baino txikiagoa zela ondorioztatu zuen. Azken azalpen honek Newton-ek emandako errefrakziorako teoria bertan behera uzten zuen eta teoria ondulatorioaren behin betiko babes funtzioa egin zuen, eta honen ondorioz, 150 urteetan zehar onartua izan zen teoria korpuskularra erabat deuseztatuta geratu zen.

1864ean James Clerk Maxwell (1831-1879) fisikari eta matematikari eskoziarrak argiaren TEORIA ELEKTROMAGNETIKOA eman zuen. Teoria honek zera proposatzen du: argia ez da uhin mekaniko bat, baizik eta maiztasun handiko uhin elektromagnetiko bat. Argi uhinek ez dute inongo euskarri materialik behar hedatzeko eta bertan hedapen norabidearekiko elkarzutak diren eta fasean dauden eremu elektriko eta magnetiko bien intentsitateen aldaketa periodikoak ematen dira. Maxwell-ek uhin hauentzat oinarrizko ekuazioak aurkitu zituen eta frogatu zuen uhin hauentzat teorikoki lortutako hedapen abiaduraren balioa bat datorrela esperimentalki Foucault-ek aurkitutakoarekin.

Argiaren hedapen abiadura eta uhin elektromagnetikoena berdinak izanik, Maxwell-ek zera proposatu zuen: argia espektro elektromagnetiko osoaren zati bat besterik ez dela, bere uhin luzera giza begian ikusmena suspertzen zuelarik. Maxwell-en proposamen hau H. Hertz (1857-1894) fisikari alemaniarrak konprobatu zuen. Bere esperientzien bitartez, metro inguruko uhin luzera zituzten uhin elektromagnetikoak (irrati uhinak) erabili zituen eta frogatu zuen uhin hauek argian azaltzen ziren fenomeno fisiko berdinak aurkezten zituztela, hala nola, islapena, errefrakzio, polarizazio eta difrakzioa.

Bazirudien Maxwell-en teoriak behin betiko baztertzen zuela argiaren izaeraren inguruko gatazka. Baina 1887an Hertzek lehenengo aldiz antzeman zuen fenomeno fisiko berri batek zalantza berriak sortu zituen. Fenomeno hau EFEKTU FOTOELEKTRIKOA zen. Bertan, maiztasun jakin bateko argiak gainazal metaliko baten gainean intziditzen zuenean, bertatik energia jakineko elektroiak igortzen dira. Fenomeno hau ezin zen Maxwell-en teoriarekin azaldu. Efektu fotoelektrikoa azaltzeko, Albert Einstein (1879-1955) fisikari alemaniarrak Max Planck-en hipotesi kuantikoan oinarriturik, bere teoria proposatu zuen: argia energia kuantuz edota fotoi izenez ezaguturiko korpuskuluez osatua dago eta ondorioz uhinaren energia osoa fotoietan kontzentratua agertzen da, uhinean zehar era jarraian banaturik agertu ordez. Fotoi hauen energia E=h×f adierazpenak ematen digu. Interesgarria da aipatzea interpretazio honek bai teoria ondulatorio eta baita korpuskularraren ezaugarriak dituela. Hain zuzen, fotoiak metalaren elektroi bati energia transferitzen dio, bi partikulen arteko talka balitz bezala, baina bestalde, fotoiaren energia maiztasunak zehazten du, uhinaren berezko magnitudea, alegia.

Gertaera hauen aurrean, argiak izaera bikoitza duela onartzen da gaur egun, kasu batzuetan uhin bezala jokatuz eta beste batzuetan partikula bezala. Hala ere, izaera dual hori ez da aldi berean inongo fenomenoetan agertzen. Horrela, interferentzia eta difrakzio fenomenoetan uhin bezala jokatzen du, aldiz, efektu fotoelektrikoa, Compton efektua eta argiaren eta materiaren arteko elkarrekintza duten esperientziak hobeto azal daitezke argia fotoiez osatua dagoela kontuan hartzen bada.

Geroago ikusi da argiaren izaera dual hau zenbait partikuletan ere ematen dela, elektroietan adibidez. Argiaren antzera, materiaren izaera dual hori Louis de Broglie (1892-1987) fisikari frantsesak proposatu zuen eta gaur egun fisika modernoaren oinarritzat hartzen da.