Llum i colors

1987/02/01 Barrenetxea, Tere - Elhuyar Fundazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

L'aixeta de la banyera degota. Cau una gota per segon, formant una petita ona en l'aigua de bany. Una vegada creada, l'ona s'expandeix cap a les parets de la banyera formant un cercle cada vegada major, i una vegada que soni la paret torna a girar cap al centre. Però a la volta té menys força, l'ona ve afeblida. Després de realitzar aquest viatge en dues o tres ocasions, l'ona desapareixerà per complet. Mentre això ocorre, les noves gotes crearan noves ones, amb el mateix camí.

La freqüència de les ones ve donada pel nombre d'ones que passen per un punt per unitat de temps. Pensem que en la nostra banyera només cau una gota per segon, per la qual cosa la freqüència serà 1 ona/segon. La longitud d'ona és la distància entre els pics de les dues ones consecutives. En l'exemple de bany suposem 45 cm. En el nostre exemple, per tant, es genera una sola ona per segon i la seva distància amb l'anterior és de 45 cm. D'aquí podem concloure que aquestes ones fan un pas de 45 cm en un segon i és la seva velocitat. La velocitat d'una ona és, per tant, el producte de la seva longitud d'ona per la seva freqüència.

Les ones marines, igual que les de bany, són bidimensionals, és a dir, es propaguen en dues dimensions, és a dir, en la superfície de l'aigua. Les ones sonores, en canvi, parteixen de la font i s'estenen per l'espai, per la qual cosa són tridimensionals. En les ones sonores l'aire es comprimeix en el cim de l'ona i entre les dues cimeres la densitat de l'aire és menor. Quan aquestes ones arriben a les nostres oïdes, sentim el so i el to d'aquest so ens semblarà més alt com més gran sigui la freqüència de les ones. Els tons musicals són un exemple d'ones de diferent freqüència. El to bàsic de la central DO, per exemple, té una freqüència de 265 ones/segon. Quin és, per tant, la seva longitud d'ona?. O preguntant el mateix d'una altra manera, quina distància hi hauria entre dos pics si aquestes ones fossin visibles?

Per a respondre a aquesta pregunta és necessari conèixer prèviament la velocitat del so: la velocitat del so en l'aire és de 340 metres per segon a nivell de la mar. Igual que en el cas del bany, la longitud d'ona es troba dividint la velocitat per la freqüència, obtenint una longitud d'ona de 1,3 metres del to bàsic de la central DO.

D'altra banda, l'oïda humana no és l'aparell perfecte per a rebre les ones del so. Hi ha freqüències massa petites (inferiors a 20 ones per segon) i massa altes (superiors a 20.000 ones per segon) que nosaltres no podem rebre. Per tant, la nostra oïda, malgrat estar perfectament adaptat, té les seves limitacions.

Les ones de la llum són similars a les del so. Ambdues són tridimensionals i es poden mesurar freqüència, longitud i velocitat. Però les ones de la llum tenen un aspecte curiós: no necessiten cap mena de suport per a propagar-se. La llum que ens arriba des del sol i les estrelles arriba després d'un llarg viatge per l'espai en el qual no hi ha res. En aquest espai, els astronautes no poden escoltar-se si no s'utilitzen la ràdio, però poden veure's sense cap mena de traves.

La freqüència de la llum que veiem les persones és molt alta: Uns 600 bilions d'ones arriben als nostres ulls en un només segon. La longitud d'ona de la llum visible és de 0,00005 cm.

Abans hem esmentat que escoltem les ones sonores de diferents freqüències com un to diferent. Alguna cosa semblança ocorre amb la llum: les ones de llum de diferents freqüències creen colors diferents. La freqüència de la llum vermella és de 460 bilions d'ones per segon, mentre que la llum habitada és de 710. Cada freqüència donarà un color diferent.

Però la visió humana també és limitada. Igual que no sentim sons amb massa o poca freqüència, hi ha freqüències de llum que no podem veure, és a dir, colors que no podem veure. Alguns tenen més freqüència que les ones que nosaltres podem veure (per exemple, els raigs gamma, 100 triliones per segon) i uns altres són menors (per exemple, les ones de ràdio). Passant l'espectre de la llum des de les freqüències més altes fins a les més petites, trobem raigs gamma, raigs X, llum ultraviolada, llum visible, llum infraroja i ones de ràdio. Totes aquestes ones es propaguen en el buit i cadascuna és un tipus de llum diferent, igual que la llum visible normal.

La llum visible és l'única llum visible per a les persones. Si els nostres cossos tinguessin la capacitat de transmetre i rebre ones de ràdio o raigs X, podríem comunicar-nos a llargues distàncies i explorar coses molt petites. Per què els nostres ulls no han evolucionat cap a aquesta direcció? A continuació intentarem explicar-ho.

Qualsevol material pot absorbir llum de determinades freqüències, però no d'unes altres. Cada substància té les seves pròpies aficions. Algunes freqüències, com els raigs gamma, són absorbits per tota mena de materials. Com a conseqüència, la llum gamma no pot realitzar viatges llargs: tots els objectes són absorbits per l'aire, per la qual cosa desapareix després de recórrer uns metres. Els raigs gamma que emet el Sol no tenen accés a la Terra, ja que en l'atmosfera que troben en el seu camí queden absorbits. La Terra, per tant, és totalment fosca per als raigs gamma.

Alguna cosa semblança ocorre amb els raigs X i la majoria de les freqüències de llum ultraviolada i infraroja. Per contra, l'absorció de la llum visible és molt de menor en la majoria dels materials. Per exemple, l'aire és generalment transparent per a la llum visible. En el cas del "smog" o contaminació d'aquest tipus, aquestes petites partícules en l'aire absorbeixen part de la llum visible i reflecteixen una altra, per la qual cosa veiem l'aire acolorit en aquests casos. Aquest és el fenomen que dóna a Bilbao un color marró-conegut.

La llum que ens servirà per a nosaltres, ha necessàriament de poder expandir-se a través de l'atmosfera sense ser absorbida. Els llamps gamma presenten una baixa usabilitat a causa de la seva ràpida absorció. Una gran proporció de l'energia emesa pel Sol és del tipus de llum visible. Per tant, aquesta seria una altra raó per a adaptar els nostres ulls a aquesta llum i no a la d'altres freqüències.

Vegem ara què són els colors. Quan la llum arriba a qualsevol planta verda, les freqüències vermelles i blaves queden absorbides, mentre que el verd es reflecteix. Per això a nosaltres ens sembla que aquesta planta és verda.

Es poden fer gràfiques analitzant la proporció de llum que reflecteix cada color. Qualsevol objecte que absorbeixi la llum vermella i reflecteixi la blava, serà blava per a nosaltres. Veiem una cosa blanca quan reflecteix tots els colors aproximadament en la mateixa mesura. Però això també serveix per al color gris i negre. La diferència entre el blanc i el negre no radica en la freqüència de llum reflectida, sinó en la proporció lluminosa que es reflecteix.

L'objecte més brillant que coneixem és, sens dubte, una neu preciosa. Però només reflecteix el 75% de la llum. En l'altre extrem estaria el balus o el tertziopelo negre, que només reflecteix una petita proporció de la llum que li ataca.

Per tant, dir que dues coses són tan diferents com la blanca i la negra, almenys des d'aquest punt de vista no té molt sentit, perquè la blanca i la negra són el mateix. La diferència està en la proporció de la llum que no absorbeixen o reflecteixen, i no en el color.

Els vius utilitzen els colors per a absorbir la llum solar i produir energia mitjançant la fotosíntesi, per a recordar als seus pares on tenen la boca, per a atreure l'atenció dels insectes, per a ocultar-los, etc. llarg. Tot això es deu a la naturalesa de la llum, a la física de les estrelles, a la química de l'aire i al procés evolutiu.