Înapoi la: Studiu de caz: Natura
Undele electromagnetice
Despre electricitate și magnetism ca fenomene separate se știe din cele mai vechi timpuri, datorită unor materiale foarte comune pe pământ: chihlimbarul și magnetitul. Chihlimbarul este o rășină fosilă, solidificată, cu proprietăți electrice. Grecii antici au observat că, la frecarea unei bucăți de chihlimbar acesta începe să atragă obiecte mici și ușoare (cum ar fi firele de păr). Magnetitul este o rocă și atrage în mod natural obiectele metalice. Dar Aristotel credea că piatra are un suflet și acesta este cel care atrage obiectele de fier.
În secolul al X-lea, un om de știință chinez a creat prima busolă magnetică și a introdus conceptul de Nord și Sud, ușurând în acest fel viața călătorilor, pe mare și pe uscat.
În secolul al XVII-lea apare pentru prima dată termenul de electric, (de la denumirea chihlimbarului în limba greacă, elektron). Englezul William Gilbert, considerat părintele științei electricității, a observat că un obiect electrizat atrage toate celelalte substanțe, în vreme ce magneții atrag doar metalele.
De aici încolo, știința a avansat destul de repede. Să nu îl uităm pe Benjamin Franklin care, într-un experiment foarte riscant, și-a trimis fiul cu un zmeu în timpul unei furtuni și a reușit în acest fel să „prindă” un fulger într-un vas Leyden. Așa a apărut pentru prima dată paratrăsnetul.
În 1759 apare prima teorie care face legătura între electricitate și magnetism, deși Franz Aepinus, cel care a enunțat-o, credea că există un fluid electric care circulă prin toate corpurile, în unele mai ușor (conductorii) iar în unele mai greu (izolatorii).
Michael Faraday și Joseph Henry au descoperit, aproape în același timp, în 1831 și 1832, inducția electromagnetică. Pe scurt, un magnet în mișcare produce un curent electric într-un fir conductor. E un principiu simplu care se folosește și acum în motoare și generatoare de electricitate.
A fost însă nevoie de un fizician care înțelegea foarte bine matematica pentru a face saltul uriaș de la experiment la teorie. Acesta a fost James Maxwell care a prezentat, în 1864, concluziile sale referitor la natura luminii. El a dedus că lumina este, în esență, un fenomen electromagnetic. Nici 20 de ani mai târziu, fizicianul german Heinrich Hertz dovedește prin experimente clare existența undelor electromagnetice, iar, peste încă 10 ani, apare termenul de electron ca purtător unic de sarcină electrică.
Dar problemele de care s-au lovit fizicienii în încercările lor de a înțelege undele electromagnetice nu s-au oprit aici.
Un alt fizician remarcabil, Albert Einstein, va demonstra, în 1905, că, la ciocnirea unei unde de lumină (sau orice undă electromagnetică) de un material, are loc o emisie de electroni. Experimentele și calculele lui au deschis o nouă problemă. Lumina, deși transportă energie ca o undă, atunci când interacționează cu materialele se comportă ca o particulă. Pur și simplu teoria undelor mecanice nu este suficientă pentru a descrie fenomenul.
Figura de mai jos prezintă experimentul care dovedește natura de undă a luminii. Lumina este formată din fotoni. Dacă ei s-ar comporta ca particule, la trecerea unui flux de fotoni printr-un ecran cu două fante am obține pe un ecran optic plasat dincolo de fante două linii clare de lumină. În realitate, rezultatul este cu totul altul, așa cum se poate vedea în partea dreaptă a figurii. Pe ecranul optic se observă o serie de zone de intensitate luminoasă crescută, exact așa cum ne-am aștepta să obținem la intersecția a două unde care se suprapun în zonele de amplitudine maximă și se anulează în zonele unde se întâlnește un maxim cu un minim.
Pe de altă parte, un alt experiment ne dovedește faptul că, la ciocnirea unui fascicol de lumină cu o placă metalică se emit electroni, smulși de energia fotonilor din metal.
Einstein spune, într-un citat faimos, „Avem două imagini contradictorii ale realității; în mod separat, niciuna dintre ele nu poate explica complet lumina, doar împreună.” Fizicianul danez Niels Bohr va numi această stare „paradoxul dualității” și îl va declara o stare fundamentală sau metafizică a naturii. Teoriile științifice actuale consideră că această natură duală, de a fi în același timp și undă și particulă, sunt specifice nu doar particulelor elementare, cum este fotonul, ci și particulelor compuse, cum sunt atomii și moleculele. Singura diferență este că acestea din urmă, fiind mult mai mari, au lungimi de undă atât de mici încât proprietățile de undă nu mai pot fi observate.