Τι είναι τελικά το φως;
Βαθμός δυσκολίας: +
Η όραση, μία από τις βασικές αισθήσεις του ανθρώπου, βασίζεται στην ανίχνευση και αποκωδικοποίηση του φωτός. Ποια είναι, όμως, η φύση του φωτός;
Εικόνα 1: H διαταραχή που δημιουργούμε στο νερό πετώντας μία πέτρα διαδίδεται στην επιφάνεια της θάλασσας σχηματίζοντας τα χαρακτηριστικά ομόκεντρα δαχτυλίδια. Image Credit: https://www.wtamu.edu/~cbaird/sq/2014/06/26/how-does-a-photon-accelerate-to-light-speed-so-quickly/
Το φως και η όραση διέγειραν την περιέργεια και τη φαντασία των φυσικών φιλοσόφων της αρχαιότητας, με τις πρώτες θεωρίες να αναπτύσσονται στην Ινδία και σε διάφορες περιοχές της επικράτειας του αρχαίου ελληνικού πολιτισμού και να εντοπίζονται χρονικά ήδη από την αρχαϊκή μέχρι και τις αρχές της ελληνιστικής περιόδου. Η καθιερωμένη θεωρία βέβαια έμελλε να έρθει πολλά χρόνια και ακόμα περισσότερα πειράματα και υποθέσεις αργότερα.
Μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα οι επιστήμονες της εποχής είχαν καταφέρει να ξεκλειδώσουν το πρώτο μισό του γρίφου αποδεικνύοντας θεωρητικά και πειραματικά την κυματική φύση του φωτός. Παρατήρησαν ότι το φως όταν περνάει από εμπόδια και σχισμές διαγράφει μοτίβα παρόμοια με αυτά που διαγράφουν άλλα φαινόμενα κυματικής φύσεως, όπως για παράδειγμα τα μηχανικά κύματα που σχηματίζονται όταν πετάξουμε μία πέτρα σε μία θάλασσα. Στον κόσμο της φυσικής, κύμα ονομάζεται μία διαταραχή που διαδίδεται στο χώρο. H διαταραχή που δημιουργούμε στο νερό πετώντας την πέτρα διαδίδεται στην επιφάνεια της θάλασσας σχηματίζοντας τα χαρακτηριστικά ομόκεντρα δαχτυλίδια. Κατά αναλογία στην περίπτωση του φωτός, η διαταραχή παίρνει τη μορφή ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και ταξιδεύει στο χώρο ακόμα και όταν αυτός είναι κενός.
Το άλλο μισό του γρίφου ξεκλειδώθηκε μετά την ανακάλυψη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου από τον Albert Einstein. Πρόκειται για το φαινόμενο κατά το οποίο μία αγώγιμη επιφάνεια που ακτινοβολείται, απελευθερώνει ηλεκτρόνια. Οι παρατηρήσεις γύρω από αυτό το φαινόμενο ανέδειξαν μία αλλόκοτη συμπεριφορά του φωτός που δεν συνάδει με την κυματική του φύση. Συγκεκριμένα, στα πειράματά του ο Philipp Lenard, μελέτησε την ταχύτητα με την οποία διαφεύγουν τα ηλεκτρόνια σε σχέση με την ισχύ του προσπίπτοντος φωτός, αναμένοντας ότι πιο ισχυρή ακτινοβολία θα εξωθούσε τα ηλεκτρόνια από τον αγωγό με μεγαλύτερη ταχύτητα. Παραδόξως όμως, παρατήρησε ότι αυξάνοντας την ισχύ του προσπίπτοντος φωτός δεν αυξανόταν η ταχύτητα διαφυγής, αλλά ο αριθμός των διαφυγόντων ηλεκτρονίων.
Εικόνα 2: Όσο μεγαλύτερη η ισχύς του κύματος που φτάνει στην παραλία τόσο μεγαλύτερη η ταχύτητα με την οποία εκσφενδονίζονται οι μπάλες από αυτήν. Το φως δεν ακολουθεί αυτή τη χαρακτηριστική συμπεριφορά των κυμάτων, όπως ανέδειξαν τα πειράματα γύρω από το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Image Credit: https://www.khanacademy.org/science/physics/quantum-physics/photons/a/photoelectric-effect
Για να καταλάβετε πόσο παράδοξες ήταν αυτές οι παρατηρήσεις, φανταστείτε μία παραλία κατάσπαρτη από μπάλες μια μέρα με τρικυμία. Ένα μικρό κύμα σηκώνεται και βγαίνει στην παραλία χτυπώντας μια μπάλα. Στη συνέχεια το ακολουθεί ένα τσουνάμι, δηλαδή ένα κύμα με πολλαπλάσιο πλάτος, το οποίο χτυπώντας την όχθη εκσφενδονίζει περισσότερες μπάλες. Οι λουόμενοι, προς έκπληξή τους, παρατηρούν τις μπάλες να διαφεύγουν με την ίδια ταχύτητα και στις δύο περιπτώσεις!
Για να εξηγήσει την αλλόκοτη αυτή συμπεριφορά ο Einstein θεώρησε ότι η ενέργεια του φωτός μεταφέρεται σε “κυματοπακέτα”, δηλαδή σε αδιαίρετα κομμάτια, ή αλλιώς σωματίδια, τα οποία σήμερα ονομάζουμε φωτόνια. Για αυτή του την ανακάλυψη ο Einstein βραβεύθηκε το 1921 με το Nobel Φυσικής και άθελά του έθεσε τα θεμέλια της κβαντικής φυσικής, της οποίας αργότερα υπήρξε πολέμιος.
Το φως, λοιπόν, δανείζεται κυματικές και σωματιδιακές ιδιότητες, είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα και ρεύμα φωτονίων παράλληλα, δεν έχει μάζα και στο κενό μεταφέρει ενέργεια με την υψηλότερη ταχύτητα του σύμπαντος, περίπου 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.
Μέχρι σήμερα, η έρευνα σχετικά με το φως, τον τρόπο που δημιουργείται, διαδίδεται, ανιχνεύεται και αλληλεπιδρά με την ύλη, καθώς και οι εφαρμογές του, δεν έχει σταματήσει. Από τις οπτικές ίνες στις τηλεπικοινωνίες μέχρι μη επεμβατικές θεραπείες κατά του καρκίνου στη μοντέρνα ιατρική, η προσπάθεια του ανθρώπου να κατανοήσει σε μεγαλύτερο βάθος τους νόμους που διέπουν το φως, έχει οδηγήσει την σύγχρονη τεχνολογία σε μία πρωτοφανή έκρηξη και αναμένεται να συνεχίσει στον ίδιο βαθμό και τα επόμενα χρόνια.
Εικόνα 3: Μία ακτίνα LASER οδηγείται εντός μίας ακρυλικής ράβδου, με τον ίδιο τρόπο που το φως ταξιδεύει εντός μίας οπτικής ίνας. Image Credit: Timwether - Own work, CC BY-SA 3.0, httpscommons.wikimedia.orgwindex.phpcurid=4795736
Λέξεις κλειδιά: Φως, κύμα, φωτόνια, φωτοηλεκτρικό φαινόμενο