Στα μονοπάτια του φωτός

rays-3902368_640

Γράφει η Δρ. Αθηνά Μελή

Το φως συνοδεύει την ανθρώπινη ύπαρξη από την αρχή της ιστορίας της. Ετυμολογικά είναι συναίρεση του τύπου φάος που προέρχεται από τη ρίζα Φαf-os που σημαίνει φωτίζω. Μια άλλη ερμηνεία θέλει τη λέξη φως να προέρχεται από το ρήμα Φαίνω-ομαι.

Το φως είναι αδιαμφισβήτητα πηγή μύθων, αλλά και πηγή έμπνευσης και μελέτης για τους ποιητές, τους καλλιτέχνες και τους επιστήμονες. Το φως κυριαρχεί στη θρησκεία και στη μυθολογία τόσο στην ελληνική όσο και στων άλλων αρχαίων λαών και παρουσιάζεται μέσα από διάφορες μορφές (Θεός, ήλιος, φωτιά, σελήνη, αστέρια, άγγελοι, κλπ).

Το φως είναι παιδί του Έρωτα, σύμφωνα με τη Θεογονία του Ησιόδου. Η Ηώς, κόρη του Τιτάνα Υπερίωνα και της Τιτανίδας Θείας, αδελφή του Ήλιου και της Σελήνης, εκπροσωπεί το πρώτο φως της ημέρας και ο Εωσφόρος/Φωσφόρος είναι το άστρο που φέρνει το φως (ο πλανήτης Αφροδίτη, ή αλλιώς Αυγερινός).

Το όνομα της Σελήνης ετυμολογείται από το σέλας, που σημαίνει φως.

Στην ελληνική μυθολογία ο θεός Απόλλωνας, γιος του Δία, διέτρεχε κάθε μέρα τον ουρανό με τον άρμα του φέρνοντας φως στην οικουμένη.

Ο ποιητής Αντιφάνης γράφει: Από τη Νύχτα και τη Σιωπή έγινε το χάος, από το Χάος και τη Νύχτα ο Έρως, από τον Έρωτα το Φως και από το Φως η πρώτη γενιά των Θεών.

Στην Οδύσσεια του Ομήρου διαβάζουμε «Ήλθες Τηλέμαχε, γλυκερόν φως» (Οδ. Π. 23).

«Και είπεν ο Θεός γεννηθήτω το φως και εγένετο φως…» (Γένεσις 1-3),

«Φως εκ φωτός, θεόν αληθινόν εκ θεού αληθινού…», «Εγώ ειμί το φως…», κλπ.

Αλλά τι ακριβώς είναι το φως;

Δύο πρώιμες ιδέες για το τι είναι φώς γεννήθηκαν ήδη από τον 17ο αιώνα: Ο μεγάλος Άγγλος επιστήμονας Isaac Newton (Νεύτωνας) (1643-1727) πίστευε ότι το φως ήταν φτιαγμένο από μικρά σωματίδια (τα ονόμασεcorpuscles”, ελ., σωμάτια ή σωματίδια) που εκπέμπονται από καυτά αντικείμενα (όπως ο ήλιος ή η φωτιά), ενώ ο σύγχρονος του Ολλανδός φυσικός Christiaan Huygens (Χιούγκεν) (1629-1695), ισχυρίστηκε ότι το φως ήταν ένα είδος κύματος που δονούνταν πάνω-κάτω καθώς μεταδιδόταν στο χώρο.

Για αρκετά χρόνια οι θεωρίες αυτές αντιμάχονταν σε μεγάλο βαθμό. Το μεγάλο κύρος του Νεύτωνα έδωσε προβάδισμα στην θεωρία του στο χώρο της επιστήμης της εποχής του. Όταν όμως μια θεωρία δεν δύναται να δώσει λύσεις σε όλο το εύρος της αρχίζει να κλονίζεται. Αυτό συνέβη και με τη θεωρία του Νεύτωνα, όταν ο Γάλλος φυσικός Austine Jean Fresnel (Φρενέλ) (1788-1827) ανακάλυψε το φαινόμενο της συμβολής ή αλλιώς της αλληλοτυπίας του φωτός, όπου όταν το φως προστίθεντο σε φως, αυτό άλλοτε γινόταν εντονότερο και άλλοτε ασθενέστερο. Αυτό το φαινόμενο ενίσχυσε τον ισχυρισμό ότι το φως χαρακτηρίζεται από κύματα (και όχι από σωματίδια, όπως ισχυριζόταν ο Νεύτωνας) και έτσι από τότε εγκαταλείφθηκε η θεωρία του Νεύτωνα και εδραιώθηκε η πεποίθηση της κυματικής φύσεως του φωτός. Για αρκετά χρόνια μετά και μέσα από ευφυή πειράματα, πρωτοπόροι πειραματικοί φυσικοί (όπως ο Ørsted (Όρστεντ) και Faraday (Φαραντέι)) συναντούσαν μια δυσκολία που αφορούσε τη φύση του μέσου: για το αν δηλαδή πάλλεται και πως πάλλεται για να διαδοθεί το φως.

Τρανή απάντηση έδωσε στην δυσκολία των πειραματιστών ο μεγάλος Άγγλος φυσικός James Maxwell (Μάξγουελ) (1831-1879), όπου στηριζόμενος στα πολύ σημαντικά αυτά πειραματικά και εμπειρικά στοιχεία εξήγησε την ουσία του φωτός, και απέδειξε θεωρητικά το 1870, ότι το φως είναι ηλεκτρο-μαγνητικά κύματα, περιοδικά μεταβλητά κατά χρόνο και κατά τόπο και στην ουσία το μέσο διάδοσης είναι το ίδιο το κύμα! Δηλαδή απέδειξε μαθηματικά ότι τα κύματα του φωτός έχουν ηλεκτρο-μαγνητική φύση (δηλαδή η ηλεκτρική συνιστώσα του κύματος ταξιδεύει πάνω στη μαγνητική συνιστώσα, και αντίστροφα).

Ας τα δούμε λίγο ποιο αναλυτικά: Τα πειραματικά δεδομένα μέχρι την εποχή του Μάξγουελ (περί τα μέσα του 19ου αιώνα), έδειχναν ότι ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο θα μπορούσε να δημιουργήσει και ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο στη συνέχεια θα δημιουργούσε ένα άλλο ηλεκτρικό πεδίο και ούτω καθεξής. Το αποτέλεσμα ήταν ένα αυτοσυντηρούμενο ηλεκτρο-μαγνητικό πεδίο, επανειλημμένα επαναλαμβανόμενο, ταξιδεύοντας απίστευτα γρήγορα. Στο καίριο σημείο αυτών των πειραματικών ανακαλύψεων, ήρθε ο Μάξγουελ, που συνδύασε τις ανακαλύψεις αυτές και με ανώτερα μαθηματικά απέδειξε την κυματική και ηλεκτρο-μαγνητική φύση του φωτός. Επίσης μπόρεσε να υπολογίσει ότι η ταχύτητα του φωτός (του κυματικού αυτού πεδίου) ήταν περίπου 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο – πολύ κοντά σε αυτό που μετρήθηκε για την ταχύτητα του φωτός αργότερα, και εμπεδώθηκε με την θεωρία της σχετικότητας του Albert Einstein (Αϊνστάιν) (1879-1955).

Οπότε τι πρέπει να συγκρατήσουμε από όλα αυτά: Το φως είναι ένα ηλεκτρικό πεδίο (συνεχόμενα κύματα) δεμένο με ένα μαγνητικό πεδίο, που διατρέχει το διάστημα με τεράστια ταχύτητα.

Μπορείτε να φανταστείτε αυτά τα δύο πεδία, ως χορευτές που χορεύουν σε μια αιώνια αγκαλιά και …it takes two to tango !

Μετά τις μαθηματικές αποδείξεις και ανακαλύψεις του Μάξγουελ το 1870, έγινε κοινά αποδεκτή η κυματική φύση του φωτός και παρέμεινε ακλόνητη μέχρι στις αρχές του 20ου αιώνα, όπου ξεπρόβαλλε μια νέα δυσκολία η οποία ήταν αδύνατον να ερμηνεύσει την κυματική φύση του και όπως ήταν κατανοητή μέχρι πρότινος. Η δυσκολία αυτή έγκειτο στο λεγόμενο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Στο φαινόμενο αυτό παρατηρούνταν ότι όταν μια φωτεινή δέσμη μικρού μήκους κύματος προσπέσει σε μια μεταλλική πλάκα τότε αποσπώνται αμέσως από αυτή ηλεκτρόνια. Κάτι που δεν θα μπορούσε να συμβεί στην θεωρία της συνεχούς κυματικής φύσης τους φωτός. Η θεωρητική ερμηνεία αυτού του φαινομένου έγινε το 1905 από τον Αϊνστάιν. Για να το ερμηνεύσει ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι η ενέργεια ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος δεν είναι ισο-κατανεμημένη στο κυματικό μέτωπο αλλά μεταφέρεται σε διακριτές ποσότητες/κβάντα/σωματίδια που ονομάζονται φωτόνια.

Η διαπίστωση αυτή αποτέλεσε, μαζί με άλλες ερμηνείες γύρω από τις ιδιότητες του φωτός από περίφημους επιστήμονες όπως οι Πλανκ, Χέρτζ και Κόμπτον, το θεμέλιο της θεωρίας για τον κυματο-σωματιδιακό δυϊσμό του φωτός αλλά και της πρώιμης κβαντικής φυσικής (που θεωρείται πλέον πιο θεμελιώδης από την κλασσική (Νευτώνεια) μηχανική, καθώς εξηγεί φαινόμενα που η Νευτώνεια φυσική αδυνατεί).

Έτσι, μέσα απ΄ αυτόν τον υπέροχο δρόμο της ανθρώπινης έμφυτης περιέργειας και της έρευνας προς την αναζήτηση της φύσης του φωτός, γεννήθηκε η σύνθεση της θεωρίας του Νεύτωνα και της κυματικής του Χόυχενς και απασχόλησε μεγάλους φυσικούς όπως τους Όρστεντ, Φαραντέι, Μάξγουελ, Πλάνκ, Χερτζ, Κόμπτον, Αϊνστάιν και άλλους όπου συλλογικά απέδειξαν ότι τελικά το φως …είναι κάτι και από τα δύο, δηλαδή “σωματίδιο και κύμα“, καλωσορίζοντας την άφιξη μιας νέας θεμελιώδους θεωρίας, αυτής της κβαντικής μηχανικής μέσω της λεπτοφυούς κατανόησης του κόσμου μας.

Θα κλείσω την περιήγηση μας στα μονοπάτια του φωτός με μερικούς στίχους του μεγάλου μας ποιητή Οδυσσέα Ελύτη:

«Στην αρχή το φως και η πρώτη ώρα που τα χείλη ακόμα στον πηλό δοκιμάζουν τα πράγματα του κόσμου» (Άξιον Εστί).

«Φως πάλι φως η ψυχή που μάχεται» (Αιθρίες).

Πηγές: 1, 2, 3, 4, 5

Αθηνά Μελή
5 1 vote
Article Rating
Παρακολούθησε τις απαντήσεις
Ενημέρωσε με για
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments