Lurreko argi natural iturri nagusia Eguzkia da. Historikoki, gizakientzako beste argi-iturri garrantzitsu bat sua izan da, antzinako suetatik hasi eta kerosenozko lanpara modernoetaraino. Argi elektrikoaren eta elikatze-sistemen garapenarekin, argiztapen elektrikoak suaren argia ordezkatu du.
EMRen portaera uhin-luzeraren araberakoa da. Maiztasun altuenek uhin-luzera laburragoak dituzte, eta maiztasun baxuagoek uhin-luzera luzeagoak. EMRek atomo eta molekula indibidualekin elkarreragiten dutenean, garraiatzen duten energia kopuruaren araberakoa da haien portaera.
Argi ikusgarriaren eremuko erradiazio elektromagnetikoa kuantuak (fotoiak) dira, molekulen barruan kitzikapen elektronikoa eragiteko gai diren energien beheko muturrean daudenak, eta horrek molekularen lotura edo kimika aldatzea dakar. Argi ikusgaiaren espektroaren beheko muturrean, EMRa ikusezin bihurtzen da gizakientzat (infragorriak), fotoiek jada ez dutelako energia indibidual nahikorik giza erretinaren molekula bisual erretinalean aldaketa molekular iraunkor bat eragiteko (konformazio aldaketa bat), eta aldaketa horrek ikusmen sentsazioa eragiten du.
Badira zenbait infragorri motarekiko sentikorrak diren animaliak, baina ez xurgapen kuantikoaren bidez. Sugeetan infragorriak detektatzeko, termografia natural moduko bat behar da; izan ere, erradiazio infragorriaren ondorioz, zeluletako uraren pakete txikiak tenperaturan igotzen dira. Erradiazio elektromagnetikoak, tarte horretan, bibrazio molekularrak eta berotze efektuak eragiten ditu, eta hori da animalia horiek detektatzen dutena.
Argi ikusgaiaren tartetik gora, argi ultramorea ikusezin bihurtzen da gizakientzat, batez ere korneak 360 nm-tik behera xurgatzen duelako eta kristalinoak 400 nm-tik behera. Gainera, giza begiaren erretinan dauden makilek eta konoek ezin dituzte detektatu uhin ultramorearen luzera oso laburrak (360 nm-tik beherakoak), eta, hain zuzen ere, argi ultramoreak kalte egiten die. Lenteak behar ez duten begiak dituzten animalia asko (intsektuak eta izkirak, esaterako) ultramorea detektatzeko gai dira, fotoiak xurgatzeko mekanismo kuantikoen bidez, gizakiek argi ikusgaia detektatzeko duten modu kimikoaren oso antzera.
Hainbat iturrik definitzen dute argi ikusgaia 420-680 nm-tik[7][8] 380-800 nm-ra[9][10]. Laborategiko baldintza ezin hobeetan, pertsonek gutxienez 1.050 nm arte ikus dezakete infragorria; haurrek eta heldu gazteek 310-313 nm arteko uhin ultramoreko luzerak hauteman ditzakete[11][12][13].
Landareen hazkundeari argiaren kolore-espektroak ere eragiten dio, fotomorfogenesi izenez ezagutzen den prozesuak.
Hutsean, argiaren abiadura 299.792.458 m/s da. Argiaren abiaduraren balio finkoa SI unitateetan, metroa orain argiaren abiaduraren arabera definitzen delako. Erradiazio elektromagnetikoaren forma guztiak abiadura berean mugitzen dira hutsean.
Historian zehar, fisikari ezberdinak saiatu dira argiaren abiadura neurtzen. Galileo argiaren abiadura neurtzen saiatu zen XVII. mendean. Argiaren abiadura neurtzeko lehen esperimentuetako bat Ole Rømer fisikari danimarkarrak egin zuen 1676an. Teleskopio bat erabiliz, Rømerrek Jupiter eta bere ilargietako baten mugimendua behatu zuen, Io[14]. Io-ren orbitaren itxurazko aldian desadostasunak ikusita, kalkulatu zuen argiak 22 minutu inguru behar dituela lurraren orbitaren diametroa egiteko[15]. Hala ere, une hartan ez zegoen haren tamainaren berri. Rømerrek lurraren orbitaren diametroa ezagutu izan balu, 227.000.000 m/s-ko abiadura kalkulatuko zukeen.
Argiaren abiaduraren beste neurketa zehatzago bat Europan egin zuen Hippolyte Fizeauk 1849an. Fizeauk argi-sorta bat zuzendu zuen kilometro batzuetara zegoen ispilu batera. Gurpil horzdun birakari bat jarri zen argi-sortaren ibilbidean, iturritik ispilurainoko bidaian eta, ondoren, jatorrira itzultzean. Fizeauk jakin zuen, biraketa-abiadura jakin batean, izpia gurpiletik joanerako zulotik igarotzen zela, eta itzuleran hurrengo zulotik. Ispiluarekiko distantzia, gurpilaren hortz kopurua eta errotazio abiadura ezagututa, Fizeauk argiaren abiadura 313.000.000 m/s-tan kalkulatu ahal izan zuen[16].
Léon Foucaultek ispilu birakariak erabiliz 298.000.000 m/s-ko balioa lortu zuen 1862an. Albert A. Michelsonek argiaren abiadurari buruzko esperimentuak egin zituen 1877tik 1931n hil zen arte. 1926an Foucaulten metodoak hobetu zituen ispilu birakari hobetuak erabiliz, argiak Wilson menditik Kaliforniako San Antonio mendirainoko joan-etorriko bidaia bat egiteko behar zuen denbora neurtzeko. Beharrezko neurketek 299.796.000 m/s-ko abiadura eman zuten[17].
Materia arrunta duten substantzia gardenetan, argiaren abiadura efektiboa hutsekoa baino txikiagoa da. Adibidez, uretan argiaren abiadura hutsaren 3/4 inguru da.
Uhin bat (uhin erasotzailea) bi ingurune desberdinen arteko gainazalera heltzen denean, bi uhinetan zatitzen da: hasierako uhinaren ingurunean hedatzen dena uhin islatua da eta ingurune berrian zehar hedatzen dena, uhin errefraktatua.
Likido barneko arkatzak hautsia dirudi, argiaren errefrakzioaren ondorioz
Uhin errefraktatuaren hedapen norabidea uhin erasotzailearen norabidea eta ingurune bien errefrakzio indizeen araberakoa da. Ingurune aldaketa jakin batean uhinaren eraso anglua nahikoa handia bada, barne islapen osoa gertatu daiteke. Egoera honetan ez dago errefraktatutako uhinik eta hasierako uhinaren energia osoa islatu egiten da. Telekomunikazioetan hain garrantzitsua den zuntz-optikoan argia fenomeno honi esker garraiatzen da.
Errefrakzio eta islapena ingurune aldaketa jasotzen duten uhinetan. Eraso angelua zenbat eta handiagoa izan, energia gehiago islatzen da, angelu jakin batetik aurrera barne-islapen osoa ematen delarik.
Argia hutsean hedatzen denean, uhin-luzera guztiek hedapen-abiadura berdina dute. Aldiz, ingurune material batean hedatzean, hedapen-abiadura desberdina da uhin-luzera (kolore) bakoitzarentzat. [18]
Hori dela eta, ingurunea aldatzeak ezberdin eragiten dio uhin luzera bakoitzari, eta kolore guztiez osatutako argi zuria hainbat koloretan banatzen da. Honi esker ikus dezakegu ortzadarra zeruan, adibidez.
Argia lerro zuzenean hedatzen da, normalki, uhin-fronteak sortuz. Argiaren hedapena argiaren iturri edo fokutik urrunduz gertatzen da, hiru dimentsoetan.
Irekigune estu batetik edo objetu baten hertzetik pasatzean, ordea, muga horiek argi iturri edo foko bihurtzen dira uhinarentzat, bere norabidea aldatuz. Difrakzioa deritzo azken fenomeno horri.
Interferentzia uhin bi puntu batean gainezartzen direnean gertatzen den fenomenoa da. Uhin bakoitzaren ezaugarrien arabera, interferentzia eraikitzailea izan daiteke, uhin bien baturaz anplitude handiagoko uhin bat sortzen denean; edo suntsitzailea, anplitude txikiagoko uhin bat sortzen denean.
Argiaren interferentzia fenomenoa frogatzen duen esperimentu klasiko bat Young-en esperimentua edo bi zirrikituen esperimentua da.
Polarizazioa hainbat norabidetan oszila dezaketen uhinek duten propietatea da[19].
Argi naturala normalean polarizatu gabea izaten da, ausazko norabideetan oszilatzen duen eremu elektromagnetikoak osatzen baitu. Argi honek polarizatzaile bat zeharkatzean, norabide jakin baten oszilatzen duen uhina pasatzen da soilik, argi polarizatua lortuz. Jada norabide batean polarizatutako argiak beste polarizatzaile bat zeharkatzen badu, polarizatzailearen transmisio-ardatza eta uhinaren oszilazio norabidearen angeluaren arabera, pasaten den argiaren intentsitatea txikitu egingo da, nulua izatera heltzeraino ere.[20]
Argiaren izaerari buruzko pentsamenduaren historia
K.a. V. mendean. Enpedoklesek, dena lau elementuz osatua zegoela esan zuen: sua, airea, lurra eta ura. Uste zuen Afroditak giza begia lau osagaietatik sortu zuela eta begian sua piztu zuela, bertatik distira egin baitzuen ikuspena ahalbidetuz. Hori egia bazen, gauez zein egunez ikus zitekeen, eta Enpedoklesek begietako izpien eta eguzkia bezalako iturri bateko izpien arteko interakzioa proposatu zuen[21].
K.a. 300. urte inguruan EuklidesekOptika idatzi zuen, argiaren propietateak aztertuz. Euklidesek argia zuzen zihoala esan zuen, erreflexioaren legeak deskribatu eta matematikoki aztertu zituen. Zalantzan jarri zuen ikusmena begitik datorren izpi baten ondorioa ote den; izan ere, bere buruari galdetzen dio ea izarrak nola ikusten diren berehala, batek begiak itxi eta gero gauez irekitzen dituenean. Begiko izpiak ezin azkarrago bidaiatzen badu, hau ez da arazo bat[22].
K. a. 55. urtean, Lukreziok, atomista greziarren ideiak jarraitu zituen erromatarrak, honela idatzi zuen: "Argia eta eguzkiaren beroa atomo ñimiñoz osatuta daude, eta, bultzatzen dituztenean, ez dute denborarik galtzen bultzadak emandako norabidean airearen tarteko espazioan zehar tiroka irteteko". Partikulei buruzko ondorengo teorien antzekoak izan arren, Lukrezioren iritziak ez ziren orokorrean onartuak izan. Ptolomeok (II. mendea) argiaren errefrakzioaz idatzi zuen Optika liburuan[23].
Antzinako Indian, Samkhya eta Vaisheshikako eskola hinduek argiari buruzko teoriak garatu zituzten gure aroko lehen mendeen inguruan. Samkhya eskolaren arabera, argia elementu gordinak sortzen diren funtsezko bost elementu "sotiletako" bat da (tanmatra). Elementu horien atomikotasuna ez da berariaz aipatzen, eta badirudi jarraitutzat jotzen zirela. Bestalde, Vaisheshika eskolak mundu fisikoaren teoria atomikoa ematen du eterraren, espazioaren eta denboraren oinarri ez-atomikoaren gainean. Oinarrizko atomoak lurrekoak (prthivi), urekoak (pani), sukoak (agni) eta airekoak (vayu) dira. Argi-izpiak abiadura handiko tejas (su) atomoen korrontetzat hartzen dira. Argi-partikulek ezaugarri desberdinak izan ditzakete, tejas atomoen abiaduraren eta antolamenduaren arabera. Vishnu Puranak "eguzkiaren zazpi izpiak" esaten dio eguzki-argiari.
Indiar budistek, V. mendeko Dignagak eta VII. mendeko Dharmakirtik bezala, atomismo mota bat garatu zuten, errealitatearen gaineko filosofia bat dena, argiaren edo energiaren momentuko distirak diren entitate atomikoez osatua. Argia energiaren pareko entitate atomikoa zela uste zuten[24].
René Descartesek (1596-1650) argia gorputz argitsuaren propietate mekanikoa zela zioen, Ibn al-Haytham eta Witeloren "formak" eta Bacon, Grosseteste eta Keplerren "espezieak" baztertuz. 1637an argiaren errefrakzioaren teoria bat argitaratu zuen, zeinak, oker, argia ingurune dentsoago batean dentsitate txikiagoko ingurune batean baino azkarrago zihoala suposatzen zuen. Descartesek soinu-uhinen portaerarekin analogiaz lortu zuen ondorio hori. Descartesek abiadura erlatiboei buruz huts egin zuen arren, asmatu egin zuen argiak uhin bat bezala jokatzen zuela suposatzean eta errefrakzioa argiaren abiaduraren bidez azal zitekeela ondorioztatzean. Descartes ez da analogia mekanikoak erabiltzen lehena, baina argia gorputz argitsuaren eta ingurune igorlearen propietate mekanikoa baino ez dela argi adierazten duenez, Descartesen argiaren teoria optika fisiko modernoaren hasieratzat hartzen da[25].
Pierre Gassendi (1592-1655) atomistak, 1660ko hamarkadan hil ondoren argitaratu zen partikuletan oinarritutako argiaren teoria bat proposatu zuen. Isaac Newtonek Gassendiren obra adin goiztiar batean aztertu zuen eta bere ikuspuntua Descartesen osoko bilkuraren teoria baino nahiago izan zuen. 1675eko bere Argiaren hipotesian, argia, iturri batetik abiatuta norabide guztietan igortzen diren korpuskuluez (materia partikulak) osatuta dagoela baieztatzen du. Newtonen argudioetako bat zen argiaren izaeraren aurka, jakina zela uhinak oztopoen inguruan okertzen zirela, eta argiak, berriz, zuzen baino ez. Experimentum crucis famatuan prismaren bidez argi zurian kolore guztiak (uhin-luzera ikusgai guztiak) daudela frogatu zuen.[26]. Hala ere, argiaren difrakzioaren fenomenoa azaldu zuen (Francesco Grimaldik behatua), argi-partikula batek eterrean kokatutako uhin bat sortzea ahalbidetuz.
Newtonen teoria argiaren islapena iragartzeko erabil zitekeen, baina soilik errefrakzioa azal zezakeen, zeren eta, oker, proposatu zuen argi hori bizkortu egiten zela ingurune dentsoago batean sartzean, grabitatearen erakarpena handiagoa zelako. Newtonek bere teoriaren behin betiko bertsioa argitaratu zuen 1704ko Opticks lanean. Bere ospeak argiaren partikulen teoria XVIII. mendean gailentzen lagundu zuen. Argiaren partikulen teoriak Laplacek gorputz bat hain masiboa izan zitekeela adieraztera eraman zuen, ezen argiak bertatik ihes egin ezin zuela. Bestela esanda, gaur egun zulo beltza deritzona bihurtuko litzateke. Laplacek bere iradokizuna kendu zuen geroago, argiaren teoria ondulatorioa argiaren eredu gisa irmoki ezarri ondoren (azaldu den bezala, partikulen eta uhinen teoria ez dira guztiz zuzenak). Newtonek argiari buruz egindako saiakeraren itzulpen bat agertzen da Stephen Hawking eta George F. R. Ellisen The large scale structure of space-time lanean.
Argia polarizatu ahal izatea kualitatiboki azaldu zuen lehen aldiz Newtonek partikulen teoria erabiliz. Étienne-Louis Malusek polarizazioaren partikulen teoria matematiko bat sortu zuen 1810ean. Jean-Baptiste Biot autoreak 1812an frogatu zuen teoria horrek argiaren polarizazioaren fenomeno ezagun guztiak azaltzen zituela. Garai hartan, polarizazioa partikulen teoriaren frogatzat hartzen zen.
Koloreen jatorria azaltzeko, Robert Hookek (1635-1703) "pultsuaren teoria" bat garatu zuen, eta argiaren hedapena uretan uhinak zabaltzearekin alderatu zuen 1665eko bere Micrographia lanean ("Behaketa IX"). 1672an, Hookek argiaren bibrazioak hedapen norabidearekiko perpendikularrak izan zitezkeela iradoki zuen. Christiaan Huygensek (1629-1695) argiaren teoria ondulatorio matematiko bat egin zuen 1678an, eta Treatise on Light tratatuan argitaratu zuen 1690ean. Proposatu zuen argia norabide guztietan igortzen zela uhin sail bat bezala eter izeneko ingurune batean. Grabitateak uhinei eragiten ez dienez, ingurune dentsoago batean sartzean moteldu egiten zirela suposatu zuen[27].
Uhinen teoriak, argi-uhinek, soinu-uhinek bezala, elkarren artean eragin zezaketela aurreikusten zuen (Thomas Youngek 1800 inguruan ikusi zuen bezala). Youngek difrakzio-esperimentu baten bidez frogatu zuen argiak uhinak bezala jokatzen zuela. Kolore ezberdinak argiaren uhin luzera desberdinek eragiten zituztela ere proposatu zuen, eta kolorearen ikuspegia azaldu zuen begian hiru koloretako hargailuei dagokienez. Teoria ondulatorioaren aldekoen artean Leonhard Euler izan zen. Nova theoria lucis et colorum (1746) lanean difrakzioa teoria ondulatorioaren bidez errazago azal daitekeela dio. 1816an, Andre-Marie AmpèrekAugustin-Jean Fresneli argiaren polarizazioa uhin-teoriaren bidez azal zitekeela esan zion, argia zeharkako uhina bazen[28].
Geroago, Fresnelek modu independentean landu zuen argiaren bere teoria ondulatorioa eta 1817an Académie des Sciencesi aurkeztu zion. Siméon Denis Poissonek Fresnelen lan matematikoa zabaldu zuen teoria ondulatorioaren aldeko argudio sinesgarri bat sortzeko, Newtonen teoria korpuskularra eraisten lagunduz. 1821ean, Fresnelek metodo matematikoen bidez frogatu ahal izan zuen polarizazioa argiaren teoria ondulatorioaren bidez azal zitekeela, baldin eta argia erabat zeharkakoa bazen, inolako luzetarako bibraziorik gabe.
Uhin-teoriaren ahulgunea zen argi-uhinek, soinu-uhinek bezala, transmisiorako bitarteko bat beharko zutela. Huygensek 1678an proposatutako balizko argi-eterraren existentzia zalantzan jarri zuen XIX. mendearen amaieran Michelson-Morley esperimentuak.
Newtonen teoria korpuskularrak argia ingurune dentsoago batean azkarrago bidaiatuko zela esan nahi zuen, Huygens eta beste batzuen teoria ondulatorioak kontrakoa zekarren bitartean. Garai hartan, argiaren abiadura ezin zen behar bezain zehatz neurtu bi teorietatik zein zen zuzena erabakitzeko. Neurketa nahiko zehatza egiten lehena Léon Foucault izan zen, 1850ean[29]. Bere emaitzak teoria ondulatorioaren alde egin zuen eta partikulen teoria klasikoa, azkenik, bertan behera utzi zen, XX. mendean partzialki berpizteko.
1845ean, Michael Faradayk aurkitu zuen linealki polarizatutako argiaren polarizazio planoa biratzen dela argi izpiak eremu magnetikoaren norabidean zehar dielektriko garden bat dagoenean, orain Faradayren errotazioa bezala ezagutzen dena. Hau izan zen argia elektromagnetismoarekin lotuta zegoenaren lehen froga. 1846an espekulatu zuen argia eremu magnetikoaren lerroetan zehar hedatuko zen perturbazio moduren bat izan zitekeela[30]. Faradayk 1847an proposatu zuen argia maiztasun altuko bibrazio elektromagnetikoa zela, eterra bezalako ingurune baten faltan ere heda zitekeena.
Faradayren lanak James Clerk Maxwell inspiratu zuen erradiazio elektromagnetikoa eta argia aztertzeko. Maxwellek aurkitu zuen uhin elektromagnetiko auto-hedatuak abiadura konstantean zihoazela espazioan zehar, eta abiadura hori lehen neurtutako argiaren abiaduraren berdina zela. Hortik aurrera, Maxwellek argia erradiazio elektromagnetikoaren forma bat zela ondorioztatu zuen: emaitza hau 1862an azaldu zuen lehen aldiz On Physical Lines of Force lanean. 1873an, A Treatise on Electricity and Magnetism argitaratu zuen, eremu elektriko eta magnetikoen portaeraren deskribapen matematiko osoa zuena, oraindik Maxwellen ekuazioak bezala ezagutzen dena. Handik gutxira, Heinrich Hertzek esperimentalki berretsi zuen Maxwellen teoria, laborategian irrati-uhinak sortuz eta detektatuz eta uhin horiek argi ikusgarriak bezala jokatzen zutela frogatuz, islapena, errefrakzioa, difrakzioa eta interferentzia bezalako propietateak erakutsiz. Maxwellen teoriak eta Hertzen esperimentuek irrati, radar, telebista, irudi elektromagnetiko eta haririk gabeko komunikazio modernoen garapenera eraman zuten zuzenean.
Teoria kuantikoan, fotoiak Maxwellen teoria klasikoan deskribatutako uhinen uhin fardel gisa ikusten dira. Teoria kuantikoa beharrezkoa zen Maxwellen teoria klasikoak azaldu ezin zitzakeen fenomenoak azaltzeko, hala nola espektro lerroak bezala.
1900. urtean, Max Planckek, gorputz beltzaren erradiazioa azaldu nahian, zera iradoki zuen, argia uhin bat izan arren, uhin hauek beren maiztasunarekin lotutako kantitate finituetan bakarrik irabaz edo gal zezaketela energia. Planckek "kuantu" deitu zien argi-energiaren "talde" horiei. 1905ean, Albert Einsteinek argi-kopuruen ideia erabili zuen efektu fotoelektrikoa azaltzeko, eta argi-kopuru horiek existentzia "erreala" zutela iradoki zuen. 1923an, Arthur Holly Comptonek frogatu zuen intentsitate baxuko X izpiak elektroietatik barreiatzen zirenean behatutako uhin-luzeraren desplazamendua (Comptonen dispertsioa deiturikoa) X izpien partikulen teoria baten bidez azal zitekeela, baina ez uhin-teoria baten bidez. 1926an, Gilbert N. Lewisekfotoi deitu zien argi-kuantu horiei[31].
Denborarekin, mekanika kuantikoaren teoria modernoak argia (zentzu batean) bai partikula bat uhin bat bezala eta (beste zentzu batean) partikula eta uhin bat ez den fenomeno bat bezala kontsideratu zuen (benetan fenomeno makroskopikoak direnak, pilotak edo itsasoko olatuak bezala). Fisika modernoak, aldiz, metafora makroskopiko mota baterako (partikulak) eta beste metafora makroskopiko baterako (ur-uhinak) egokiak diren matematikez deskriba daitekeen zerbait bezala ikusten du argia, baina benetan ezin da erabat imajinatu. Comptonen dispertsioan inplikatutako X izpien eta irrati-uhinen kasuan bezala, fisikariek ikusi dute erradiazio elektromagnetikoak maiztasun baxuko uhin klasiko bat bezala jokatzeko joera duela, baina are gehiago frekuentzia altuko partikula klasiko bat bezala, baina ez ditu inoiz erabat galtzen bataren edo bestearen nolakotasun guztiak. Argi ikusgaia, maiztasunean batez besteko termino bat hartzen duena, erraz froga daiteke uhin edo partikula eredu bat erabiliz deskriba daitekeen esperimentuetan, edo batzuetan bietan.
2018ko otsailean, zientzialariek lehen aldiz jakinarazi zuten argi forma berri bat aurkitu zutela, polaritoiak ekar ditzakeena, ordenagailu kuantikoen garapenean erabilgarria izan daitekeena[32][33].
.jpg)
