¿Por qué el cielo es azul?
Otro siglo después, el gran astrónomo Jahanis Kepler se unió a la discusión cuando escribió "Diálogos con el mensajero de Galileo desde las estrellas (1611)". El descubrimiento de Galileo de las lunas de Júpiter utilizando un solo telescopio es muy elogiado en el libro. . Kepler apoyó los descubrimientos de Galileo y refutó sus críticas. Al mismo tiempo, también planteó sus propias preguntas y desarrolló sus propias opiniones. Sus ideas iban más allá de considerar el color del cielo durante el día para considerar también el cielo oscuro durante la noche. Aunque defendía las ideas innovadoras de Copérnico, insistía en que el universo era finito. Para respaldar su punto de vista, Kepler formuló una pregunta importante: si hay un número infinito de estrellas en el cielo, o al menos suficientes estrellas para adornar el cielo, ¿por qué no hacen que la noche sea tan brillante como el día? Quizás no sabía que Diggs estaba en 65438. En el siglo XIX, un astrónomo retomó el tema. Desde entonces, este problema se conoce como la paradoja de Ober. La gente seguía repitiendo sus hallazgos. Esto nos muestra la importancia y complejidad de este tema. Diggs respondió a la pregunta de esta manera: la mayoría de las estrellas son invisibles a simple vista porque "las estrellas están demasiado lejos de nosotros para verlas". Kepler creía que las estrellas distantes no eran tan brillantes como el sol. En el Capítulo 9, el autor explicará con más detalle el problema del color del cielo nocturno, lo cual es de gran ayuda para explicar el problema del color del cielo diurno.
Los descubrimientos de Galileo atrajeron mayor atención a las capacidades y propiedades reales de los telescopios y otros instrumentos ópticos. Considerando las limitaciones de estos instrumentos, Kepler concluyó: "Es esencialmente seguro que... la atmósfera es densa y de color azul, de modo que los detalles de los objetos visibles a distancia están borrosos y distorsionados. No había ningún indicio de que Kepler". Lea cualquier cosa de Storrow, Alberti o Leonardo da Vinci. Sin embargo, como muchas otras historias, las mentes antiguas han sido olvidadas. Hoy la gente vuelve a pensar en esta idea. Aunque la gente ha olvidado las teorías de los antiguos, han demostrado su importancia eterna. En otros escritos, Kepler añadió que el cielo "es más azul y más denso, o cuanto más se extiende entre los objetos visibles y el ojo, más materia se añade a esta región entre el ojo y el objeto visible". Creía que el cielo parece incoloro simplemente porque es muy luminoso; cuando miramos al cielo, la luz que recibimos ha viajado lo suficiente como para llegar a nuestros ojos, por eso vemos azul. Por el contrario, la creencia de Aristóteles de que el cielo era “blanco” (lo que él llamaba incoloro) se basaba en la observación de las cosas que lo rodeaban. Kepler se opuso lógicamente a esta opinión común. Es posible que también haya considerado el problema de la penetración del aire, ya que mencionó que debido al color azul intenso que se acumula en la densa atmósfera, "los detalles de los objetos visibles en la distancia quedan oscurecidos".
Si nos oponemos a Si utilizamos la teoría de la oscuridad y la teoría de las partículas para explicar el cielo azul, la cuestión de por qué el cielo es azul sólo podemos atribuirla al cielo mismo, como argumentó el químico francés Edome Marriott en 1676. Sin embargo, otras ideas y teorías no desaparecieron: mientras que el pintor italiano Matteo Zaccolini parece haber conocido los escritos de Kepler sobre óptica, Aristóteles defendió la teoría oscura en uno de sus tratados sobre pintura más influyentes. Como revela la historia, todavía nos enfrentamos a estas diferentes perspectivas. Ante estas posibilidades, consideramos el consejo de Sherlock Holmes: “Cuando se ha eliminado lo imposible, lo que queda, por improbable que sea, es la verdad.
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Cualquiera de las opciones anteriores debe enfrentarse a una pregunta obvia: "¿Por qué el cielo es azul y no otros colores? Aunque Kepler no parece haber considerado este tema, surge claramente en "Meteor" de René Descartes (1637). Este libro es la parte final de una obra maestra mucho más grandiosa: esta obra masiva que comienza con "Métodos que guían correctamente el razonamiento humano". Buscando la verdad en el mundo de la ciencia", nos muestra el proceso de búsqueda de la verdad de Descartes a través de juicios claros, inequívocos y no controvertidos, y también nos presenta información sobre la nueva filosofía y la declaración oficial de la nueva teoría de la naturaleza. Las siguientes secciones muestran la eficacia de su enfoque en importantes problemas científicos. En primer lugar, la óptica presenta una nueva visión de la luz. En segundo lugar, las poderosas matemáticas simbólicas se reducen a la geometría. En Meteorología, aplicó sus métodos a los antiguos problemas del tiempo y el clima. Obra maestra es que Descartes reemplazó la escuela aristotélica con un enfoque completamente nuevo Publicado después de la muerte de Karl. En el frontispicio, Descartes se sienta como un feliz Dr. Fausto, con la "luz natural" envolviéndolo a través de la habitación, como si el mundo entero estuviera pisoteado. bajo sus pies (Fig. 3 . l).
Descartes pensaba que el cielo y las nubes parecían tan maravillosos y asombrosos que si pudiéramos explicarlos, no podríamos ver nada que nos sorprenda. ... Fácilmente creeremos que es posible encontrar la causa de las cosas más bellas de la tierra. Al contemplar estas preguntas divinas, puso todo el universo bajo el control humano.
Por ejemplo, después de explicar. la causa del arco iris - los arco iris se producen por la refracción de la luz incidente en las gotas de lluvia - Descartes finalmente discutió el método de hacer arco iris artificiales, "Un invento que hace que el signo de un arco iris aparezca en el cielo causará gran curiosidad en aquellos que no lo hacen de una persona que comprende las causas de las cosas. Vio el arco iris como un signo de alianza con Dios, el arco iris milagroso que puso fin al diluvio. Sin embargo, mediante el uso de enormes fuentes, los humanos también podían crear arco iris, "en forma de cruz o de cilindro, o de cualquier otra forma sorprendente". forma." . "Pero admito que se necesita mucha habilidad y mucho trabajo para hacer que estas fuentes sean proporcionadas y rocíen agua a una altura lo suficientemente alta como para que la gente de todo el país pueda ver el arco iris artificial incluso desde la distancia, sin ser visto a través. (Figura 3.2) “Por lo tanto, estos científicos sofisticados tienen una manera de confundir los milagros, disipando la unicidad de las causas de estos fenómenos sagrados y controlando la naturaleza y a aquellos que son supersticiosos. A diferencia de los piadosos filósofos de Francis Bacon, que podían distinguir claramente entre "milagros divinos" y "diversos engaños e ilusiones", Descartes parecía dispuesto a confundir la verdad y la falsedad y controlarlas.
Aunque muchos de los primeros escritores tenían el mismo concepto básico del arco iris, ninguno pudo aplicar la geometría con tanta rigurosidad al problema. Descartes estaba orgulloso de su éxito, pero lo estaba aún más de su enfoque básico del problema. Consideró su enfoque fundamental como un avance en un campo fundamental que era mucho más profundo que los casos que estudió; para comprender los fenómenos cambiantes en el cielo, buscó un concepto "claro y obvio" sobre la naturaleza de la luz. . Descartes, como Aristóteles y "casi todos los filósofos", no aceptó la visión atomista, según la cual los átomos necesitaban un espacio para moverse. También creía que la cantidad más pequeña de materia dominaría inevitablemente las propiedades de la materia más grande que la componía.
Descartes creía que sólo una hipótesis satisfacía esta necesidad. Para él, el mundo entero está lleno de partículas en estrecho contacto sin espacio entre ellas. Para crear el mismo ambiente, debe haber una "sustancia fina" entre estas pequeñas partículas. Su ejemplo es una tinaja llena de uvas exprimidas (Figura 3.3) (omitido). Las uvas son como pequeñas bolitas. El vino penetra en las grietas de las uvas, mientras la "materia fina" llena los espacios entre los granos. Posteriormente, esta sustancia recibió el nombre de éter. Es similar al "éter" en griego, pero tiene una función completamente diferente. Este último sólo existe encima de la Luna, mientras que se cree que el éter está omnipresente en la Tierra. La luz se considera un estado de movimiento del éter.
Descartes lo describió de esta manera: Si la tina que hizo estuviera perforada en los puntos A y B en la Figura 3.3, el vino saldría de estos agujeros en línea casi recta, como si el CDE fuera una superficie luminosa, y la luz saldría de allí. superficie a los puntos A y B...
Para explicar este punto, Descartes dio otro ejemplo: imagina a un ciego caminando con un bastón, y toca el suelo con el bastón mientras camina. Con su bastón podía sentir si el suelo era duro o blando, arena o barro. Sin embargo, la luz es sólo "una especie de movimiento, muy rápido, muy activo, que finalmente llega a los ojos humanos a través del aire u otras sustancias transparentes como intermediario". el intermediario del bastón le pasó. "Descartes promovió audazmente esta analogía: un bastón puede transmitir la situación de la tierra a una persona en un instante, y el tiempo que tarda la luz en viajar desde el sol a la tierra es sólo un instante. Además, "el ciego Aprendí que los árboles, las piedras, el agua y No hay menos diferencia entre otras sustancias similares que entre el rojo, el amarillo, el verde o todos los demás colores que conocemos. "
Descartes puede haber sido un fanático del tenis porque hizo una analogía de convertir la muleta de un ciego en una raqueta de tenis. Comparó un rayo de luz con una pelota de tenis golpeando un terreno irregular." "Rozando" el suelo rápidamente, rebotando en diferentes ángulos, como la luz que se refleja en una superficie rugosa. Además, los distintos colores pueden verse como diferentes estados de pequeñas pelotas de tenis que giran. Estas pelotas de tenis representan la "pequeñez" del éter. . parte". Los que giran más rápido se ven rojos, los que giran menos rápido se ven amarillos y verdes, y los que giran lentamente o no giran en absoluto se ven azules. Descartes estaba tan satisfecho con su explicación que la explicación "coincidía tan perfectamente con la experiencia. que creo que no podía... dudar de la verdad de lo que acababa de explicar." Sin embargo, ésta era sólo una historia aparentemente cierta, y Descartes quedó impresionado por el refinamiento de su hipótesis. "La claridad y la certeza" y su poder explicativo Negó que su hipótesis fuera enteramente ficticia, quizá porque creía demasiado en su poder explicativo.
Considerando que la luz llega a la atmósfera terrestre procedente del Sol, Descartes creía que si no hubiera "vapor" en él. el cielo "parecería muy oscuro" pero la atmósfera hace que pequeñas partículas en el éter "rueden y giren antes de llegar a nosotros". "Esto hace que el cielo parezca blanco directamente. Sin embargo, si la materia pura [éter] no encuentra suficientes otras partículas y las partículas pequeñas en el éter no giran de esta manera, entonces el cielo sólo puede aparecer azul". porque las corrientes de aire rectas y no giratorias en el éter aparecen de color azul. Piense en su ejemplo: la luz azul es como una pelota de tenis que se mueve en línea recta sin girar. )
Así que Descartes creía que el cielo estaba básicamente nublado y blanco, con cielos despejados ocasionales. Si no hubiera nubes, lo que aceleraría más o menos el movimiento de las partículas de éter, la luz del sol entraría directamente en nuestros ojos y se vería azul. De lo contrario, la luz del sol aparecería en muchos colores, como rojo, amarillo o verde, en lugar de azul. Las nubes son opacas, añadió, porque las gotas de agua en las nubes tienen muchas superficies y reflejan continuamente la luz que entra en las nubes "hasta que ninguna luz o casi ninguna luz pasa a través de las nubes. Aquí, Descartes proporciona una nueva explicación de un cielo azul, esta explicación". está lejos de la teoría oscura o la teoría de partículas.
En todas las afirmaciones de Descartes, asumió, con incertidumbre, que si todos los colores se mezclaran, aparecerían blancos. Podemos ver que, aunque no expresó explícitamente este punto de vista, su punto de vista era similar al punto de vista central de Newton. Aunque parece ajeno a este poderoso punto, dadas sus suposiciones, llegar a él es inevitable. Volvamos a su analogía del tenis: cuando un montón de pelotas golpean una nube, rebotan en muchas superficies, obteniendo diferentes giros que son consistentes con el color blanco resultante.
A lo largo de todo esto, Descartes siempre fue demasiado crédulo en sus sencillas explicaciones. Cuando pensaba en un cielo rojo al atardecer, no le preocupaba si su explicación de un cielo azul sería cierta si el cielo fuera muy brillante. Parecía suponer que siempre había una fina capa de nubes o niebla cerca del horizonte que haría que las luces se pusieran rojas.
Tal vez nunca haya observado un cielo tan despejado, pero cuando el sol sale más alto en el cielo, las nubes se ven menos rojas bajo el sol y la gente se preguntará por qué no se siente atraído por este fenómeno en el cielo. Tampoco tuvo en cuenta el cambio de color del cielo. Incluso en el mismo día soleado, el color en la parte superior del cielo es azul oscuro pero tiende al blanco cerca del horizonte.
En resumen, Descartes se basa en gran medida en sus supuestos "claros e inequívocos" y parece ser capaz de deducir el inevitable surgimiento del mundo entero sin cuestionar sus supuestos. Newton lo dudaba mucho. Aunque Newton había estudiado cuidadosamente los trabajos teóricos de Descartes en sus primeros años, más tarde se volvió tan hostil hacia Descartes que a veces ni siquiera podía escribir el nombre de Descartes, dejando simplemente un espacio en blanco. Gran parte de los principios de Newton se dedicaron a revertir la física cartesiana. Newton pensó que su teoría tenía éxito, pero estudiosos posteriores descubrieron problemas en su razonamiento. A diferencia de Descartes, Newton utilizó el razonamiento matemático y no necesitó conocer sus causas físicas subyacentes.
El libro de Newton "Optics" (Óptica) muestra que la luz blanca se compone de todos los colores del espectro, y los resultados se pueden deducir sin hacer suposiciones sobre las propiedades de la luz (Figura 3.4). Como dijo: "En este libro, mi propósito no es explicar las propiedades de la luz mediante hipótesis, sino mediante demostración y demostración. También tenía opiniones sobre la naturaleza de la luz, pero estas opiniones eran muy diferentes de la teoría de Descartes". . A medida que este debate se intensifica, la cuestión de por qué el cielo es azul se entrelaza cada vez más con la cuestión más amplia de la naturaleza de la luz. Al igual que los antiguos atomistas, Newton creía que la luz eran partículas diminutas que viajaban por el espacio. Para explicar las leyes numéricas de la refracción, planteó la hipótesis de que las partículas de luz viajan más rápido en el vidrio que en el aire. (Descartes ya propuso esta idea en su introducción a los antecedentes teóricos).
La luz blanca es una mezcla de colores espectrales. Utilizando este descubrimiento básico, la explicación de Newton sobre el arco iris era más razonable que la de Descartes. Newton fue el primero en demostrar que la reflexión de la luz depende de su color, no sólo del ángulo de incidencia. A través de una mayor refracción o reflexión, el "índice de refracción" de cada color de luz sigue siendo el mismo, como cuando la luz ilumina una ducha. Esto permite por primera vez explicar racionalmente el ancho y el orden de las cintas arcoíris. Pero la cuestión de por qué el cielo es azul sigue sin resolverse, porque la comprensión del arco iris no explica por qué el cielo es azul en los días buenos y no en otros colores del espectro.
Otros descubrimientos jugaron un papel importante en esta época. Mucho antes de los experimentos de Newton, Robert Boyle había notado cambios de color en películas de espuma o aceite. Se cubrió los ojos con una pluma en la mano y miró la puesta de sol. "Tenía todo tipo de pequeños arcoíris frente a mí, cada uno con su propio color y muy vívidos. No se podía ver el mismo arcoíris seguido en una pluma". Hasta cierto punto, conduce a la imagen del arco iris (regrese al Experimento 5.4 más adelante). Boyle notó que las plumas en sí no tenían un color fijo, por lo que no fue la interacción entre las plumas y la luz lo que causó el arco iris. Por lo tanto, el color brillante de las plumas del pavo real no es el color de las plumas mismas. Cuando observas una pluma de pavo real en condiciones de poca luz, parece opaca e incolora.
Casi al mismo tiempo, Robert Hooke descubrió un fenómeno similar mientras estudiaba la estructura fina de los objetos bajo el microscopio. También notó que cuando se presionaba la lente curva contra el cristal, aparecía un tenue anillo concéntrico. Ahora llamamos a este fenómeno "anillo de Newton" (Figura 3.5). Hooke y Newton notaron más tarde que si la lente se iluminaba con diferentes luces monocromáticas, el patrón de estos anillos de Newton cambiaría, de modo que "uno estaría encantado de descubrir que se expanden o contraen gradualmente según el cambio de color de la luz". ", afirmó Newton.
Y si iluminas con luz blanca el cristal cerca de la lente, cada anillo aparecerá como un espectro similar al de un arco iris, con azul en el interior y rojo en el exterior. En la Figura 3.5, el radio del anillo brillante siempre está relacionado con un múltiplo de 1, 3, 5... de la distancia entre la lente y la placa de vidrio, mientras que el radio del anillo oscuro está relacionado con 0, 2, 4 de la distancia entre la lente y la placa de vidrio relacionada con múltiplos de... Siempre habrá una mancha negra en el centro del ring.
En ambos casos, la aberración cromática se basa en una determinada longitud característica, ya sea el espesor entre lentes o el espesor de la superficie de una pompa de jabón. En otras palabras, la luz azul y la luz roja se pueden distinguir según una determinada longitud. Pero si la luz está formada por partículas puntuales con dimensiones inmensurables, ¿qué significa esta longitud?
Newton se dio cuenta de la profundidad del problema y trató de explicarlo a través de su hipótesis de "coincidencia": las pompas de jabón de diferentes espesores aparecen de diferentes colores porque a esas longitudes, la luz sufre una "coincidencia" - desaparece repentinamente - o pasar más rápido. La teoría original de Newton explica muy bien muchas observaciones. En su pregunta, consideró lo que ahora llamamos la teoría ondulatoria de la luz: "¿No causaría alguna luz algunas vibraciones de la materia de diferentes tamaños?" Estas vibraciones, correspondientes a los tamaños, conducían a la percepción de algunos colores. Estas vibraciones, al igual que las del aire, están relacionadas con su tamaño y provocan algunas percepciones de sonido. "Aquí comparó la luz con el sonido, argumentando que el sonido es una onda de presión producida en un medio como el aire. Si es así, continuó explicando, la luz azul debe corresponder a ondas de menos "materia grande". Del mismo modo, la luz verde, la amarilla , y la luz roja es "más grande" que la luz azul. Para ver todos los colores, los humanos necesitan que las retinas reflejen todas las diferencias de "tamaño" posibles. El comportamiento de la luz ya no está determinado por fenómenos de "coincidencia" inexplicables. determinada por la longitud específica determinada externamente), pero puede estar determinada por su "tamaño" interno, que representa su color.
Estamos acostumbrados a juzgar por las obras ópticas de Newton que se leían en términos de onda. teoría, que no se volvió dominante hasta un siglo después, antes de que la teoría de la emisión de luz de Newton todavía fuera muy influyente. Finalmente, creyó en los fenómenos que se le presentaron: la luz parecía viajar en línea recta y dejar sombras claras si la luz fuera una onda. , su propagación sería "doblada" y podría sortear obstáculos. Descartes creía demasiado en su previsión teórica, concluyó Newton, sus observaciones confirmaron plenamente su hipótesis experimental sobre la "coincidencia". había encontrado pruebas de la teoría ondulatoria en 1665. El sacerdote italiano murió antes de que se publicara su "Libro sobre la luz". Su último libro introdujo lo que llamó difracción. Realizó un experimento en el que un rayo de luz atravesaba un "objeto más pequeño posible". . agujero", iluminó un obstáculo (como una cuerda) en el cuarto oscuro y luego proyectó la imagen en una pantalla blanca. Descubrió que el patrón brillante central estaba rodeado por franjas claras y oscuras (Figura 3.6; Apéndice A, Experimento 3.2). Encontró que las sombras observadas no son claras ni distintas, pero si la luz viaja en línea recta, las sombras de los objetos deberían ser claras y distintas. Estas sombras también son más anchas de lo predicho por la teoría de la luz y están coloreadas. "más cerca de la sombra [media]". Siempre es azul, mientras que las partes alejadas del centro son rojas. En 1665, Hooke también presentó evidencia experimental en su libro Microfotografía: "La luz del sol se desvía y penetra en la sombra de una hoja". "
El problema de la difracción evolucionó gradualmente hasta convertirse en un feroz debate; Newton creía que la difracción era simplemente un nuevo tipo de refracción, mientras que Hooke creía que era un "nuevo descubrimiento" de gran importancia. En la carta de Newton a Hu En una famosa carta a Gram, Newton consideró "el esfuerzo de Descartes como un buen paso". Agregas demasiados pasos, especialmente pensamientos filosóficos sobre el color de las hojas. Si puedo ver más lejos es porque estoy sobre hombros de gigantes. "¿Pero Newton realmente debería haber considerado la difracción como una evidencia importante para la teoría ondulatoria de la luz? En retrospectiva, podemos cegarnos ante las razones legítimas de Newton para negar esto.
Después de todo, Grimaldi dudaba en afirmar cualquier hipótesis sobre la naturaleza de luz, y parecía pensar que la evidencia era insuficiente. Derivó el concepto de longitud de onda como la longitud entre dos crestas adyacentes de una onda perfectamente vibratoria proporcionaría una forma precisa para la descripción de "tamaño" de Newton.
Sin embargo, aunque Newton copió y desarrolló cuidadosamente los experimentos de Grimaldi (Newton no usó el término "difracción" para describir estos experimentos), no encontró suficiente evidencia en estos experimentos para cambiar su aceptación de la teoría ondulatoria. En los siguientes capítulos consideraremos qué tipos de experimentos pueden desencadenar pruebas más concluyentes.
Si cada color de luz tiene una longitud de onda correspondiente, entonces la longitud de onda da la escala de longitud característica de la luz. Debido a que los diferentes colores de luz tienen diferentes longitudes de onda, la luz azul, la luz roja y otras luces intermedias deberían comportarse de manera diferente a medida que atraviesan la atmósfera. Este es un paso crítico que no se mencionó en la discusión anterior. Sin embargo, la historia no termina ahí. ¿Cómo trata la atmósfera de manera diferente la luz azul y la luz roja? Revise las observaciones de las plumas de Boyle y Hooke. Aunque las plumas en sí son incoloras, brillan con la deslumbrante orquídea pavo real. Quizás una pequeña pluma contenga la clave del problema del color del cielo.