LUMINA
Lumina este stimulul care acţionând asupra retinei din ochi produce la omul sănătos senzaţia vizuală. Din punct de vedere fizic, lumina este o radiaţie electromagnetică; pentru a fi percepută de om ea trebuie să aibă anumite caracteristici: frecvența trebuie să fie cuprinsă între limitele sensibilităţii vizuale ale receptorilor fotosensibili din retină, iar intensitatea trebuie să depăşească pragul de sensibilitate al acestora. În sens larg se poate folosi termenul de „lumină” şi pentru radiaţii electromagnetice invizibile pentru om, ca de exemplu lumina infraroşie sau cea ultravioletă. Lumina împreună cu temperatura face parte din factorii ecologici.
Atât lumina provenind direct de la o sursă de lumină cât şi cea transmisă, reflectată, împrăştiată sau difractata de diferite corpuri are pentru ochiul uman o serie de caracteristici, printre care:
- intensitate luminoasă, determinată de puterea transportată de radiaţie şi de sensibilitatea retinei;
- culoare, determinată de spectrul radiaţiei incidente pe retina;
- polarizare, determinată de planul de oscilaţie al undelor electromagnetice;
Caracteristici fizice ale luminii
Undele electromagnetice, deci şi lumina vizibilă, se compun dintr-un câmp electric şi unul magnetic, orientate perpendicular unul pe celălalt, amândouă variabile în timp şi spaţiu, şi care se generează reciproc. Variaţia acestor câmpuri este în general periodică atât în timp cât şi în spaţiu; perioada de repetare temporală a oscilaţiilor este inversul matematic al frecventei câmpului electromagnetic respectiv; perioada spaţială este numită lungime de undă. Aceste două caracteristici sunt legate între ele prin intermediul vitezei de propagare a undei (v. viteza luminii). Frecvenţa undelor electromagnetice nu depinde de mediul în care se propagă acestea. În schimb, lungimea de undă depinde de viteza de propagare a undei într-un mediu dat, astfel încât aceeaşi undă trecând dintr-un mediu în altul va suferi variaţii ale lungimii de undă, conform relaţiei:
unde v este viteza de propagare a undei în mediul respectiv. Când se descrie o radiaţie electromagnetică prin lungimea sa de undă trebuie deci precizat şi mediul în care se propagă unda; în lipsa acestei precizări se va subînţelege că este vorba de lungimea de undă în vid. Aceasta este aproximativ egală cu lungimea de undă în aer, cu o eroare acceptabilă în multe situaţii practice,
Undele electromagnetice reale se pot descompune în unde elementare, cu următoarele caracteristici:
- frecvența: această frecvență unică determină în cazul luminii vizibile culoarea percepută de ochi. Culorile undelor elementare sunt pure, şi niciodată nu se întâlnesc în natură. Lumina produsă de laseri, cea obţinută prin separarea luminii albe în culorile componente, cea obţinută cu ajutorul unor filtre, sunt exemple de lumină care doar se apropie de undele monocromatice ideale. Dispozitivele de reproducere a culorilor (ecranul de televizor color, tipăriturile color, etc.) nu pot reda culori de o asemenea puritate.
- amplitudine: aceasta este o măsură a variaţiei câmpurilor electric şi magnetic care alcătuiesc unda. Este de asemenea legată de strălucirea aparentă a unei surse de lumină. Trebuie precizat totuşi că ochiul nu este la fel de sensibil la toate culorile, şi este insensibil în afara spectrului vizibil. Culori care par să aibă aceeaşi intensitate vizuală pot avea intensităţi fizice foarte diferite.
- polarizare: vectorul câmpului electric şi cel al câmpului magnetic sunt perpendiculare atât unul pe celălalt cât şi pe direcţia de propagare a undei electromagnetice. Dar chiar şi cu această limitare mai este permis un grad de libertate, de rotaţie a celor doi vectori în jurul direcţiei de propagare. Dacă faţă de un anumit sistem de axe de coordonate vectorul câmpului electric este de exemplu vertical, spunem că lumina respectivă este polarizată vertical. În mod obişnuit ochiul nu este sensibil la polarizarea luminii, dar există experimente optice simple prin care aceasta se poate pune în evidenţă.
Universuri multiple
Cea mai recentă noţiune introdusă de cercetători este cea a universului multiplu – „multiverse”. Acesta „ar putea conţine un număr infinit de universuri, fiecare cu legi diferite ale fizicii. Probabil că în fiecare moment au loc Big Bang-uri. Universul nostru coexistă cu alte membrane, alte universuri care sunt de asemenea în expansiune. S-ar putea ca universul nostru să nu fie decât un balon plutind într-un ocean de alte baloane.” (Michio Kaku) Fizicienii mai fac un pas înainte şi îşi propun să creeze un univers în laborator. Alan Guth spune că momentul în care vom crea universuri în subsolul casei noastre nu este chiar atât de departe şi de neconceput, iar ca procesul nu pune în pericol propriul univers.
Teoria relativităţii reprezintă în fizica modernă un ansamblu a două teorii formulate de Albert Einstein: relativitatea restrânsă şi relativitatea generală.
Ideea de bază a acestor două teorii este că timpul şi distanţele unui eveniment măsurate de doi observatori au, în general, valori diferite, dar se supun totdeauna aceloraşi legi fizice. Când doi observatori examinează configuraţii diferite, şi anume deplasările lor, una în raport cu cealaltă, aplicând regulile logice, se constată că legile fizice au în mod necesar o anumită formă.
Relativitatea restrânsă, formulată în 1905, s-a născut din observaţia că transformarea care permite schimbarea unui sistem referențial, transformarea lui Galilei, nu este valabilă pentru propagarea undelor electromagnetice, care sunt dirijate de ecuaţiile lui Maxwell. Pentru a putea împăca mecanica clasică cu electromagnetismul, Einstein a postulat faptul că viteza luminii, măsurată de doi observatori situaţi în sisteme referenţiale inerţiale diferite, este totdeauna constantă (ulterior a demonstrat că acest postulat este de fapt inutil, pentru că viteza constantă a luminii derivă din formele legilor fizice).
Aceasta l-a condus la revizuirea conceptelor fundamentale ale fizicii teoretice, cum sunt timpul, distanţa, masa, energia, cantitatea de mişcare, cu toate consecinţele care derivă. Astfel, obiectele în mişcare apar mai grele şi mai dense pe direcţia lor de mişcare, pe când timpul se scurge mai lent la ceasurile aflate în mişcare. O cantitate de mişcare este acum asociată vitezei luminii, viteza luminii în vid devenind viteza limită atât pentru obiecte, cât şi pentru informaţii. Masa şi energia devin echivalente. Două evenimente care par simultane unui observator, apar în momente diferite altui observator care se deplasează în raport cu primul. Relativitatea restrânsă nu ţine cont de efectele gravitaţiei, elementul central al formulării ei matematice sunt transformările lui Lorenz.
Relativitatea generală a fost formulată de Einstein în 1916. Această teorie utilizează formulele matematice ale geometriei diferenţiale şi a tensorilor pentru descrierea gravitației. Spre deosebire de relativitatea restrânsă, legile relativităţii generale sunt aceleaşi pentru toţi observatorii, chiar dacă aceştia se deplasează de o manieră neuniformă, unii faţă de ceilalţi.
Relativitatea generală este o teorie geometrică, care postulează că prezenţa de masă şi energie conduce la „curbura” spaţiului, şi că aceasta curbură influenţează traiectoria altor obiecte, inclusiv a luminii, în urma forţelor gravitaţionale. Această teorie poate fi utilizată pentru construirea unor modele matematice ale originii şi evoluției Universului şi reprezintă deci unul din instrumentele cosmologiei fizice.
