Τι είναι το φως: σωματίδια ή κύματα; Και οι δύο απόψεις είχαν προταθεί από επιστήμονες τον 17ο και τον 18ο αιώνα, χωρίς όμως καμία από τις δύο να έχει ερμηνεύσει όλα τα διαθέσιμα τότε πειραματικά αποτελέσματα. Η σωματιδιακή θεωρία, κύριος υποστηρικτής της οποίας ήταν ο Νεύτωνας, μπορούσε να ερμηνεύσει τα φαινόμενα της ανάκλασης και διάθλασης. Δεν μπορούσε όμως να ερμηνεύσει το φαινόμενο της συμβολής, κατά το οποίο εμφανίζονται χρωματιστές λωρίδες στην επιφάνεια λεπτών υμενίων, όπως π.χ. στις σαπουνόφουσκες ή στο πετρέλαιο που καλύπτει μια υδάτινη επιφάνεια. Η κυματική θεωρία, από την άλλη πλευρά, κύριος υποστηρικτής της οποίας ήταν ο Ολλανδός Κρίστιαν Χόιχενς (Christiaan Ηuygens), μπορούσε να ερμηνεύσει τόσο την ανάκλαση και τη διάθλαση όσο και τη συμβολή. Δεν μπορούσε όμως να ερμηνεύσει το φαινόμενο της πόλωσης ούτε, το κυριότερο, μπορούσε να καθορίσει ποιο είναι το μέσο στο οποίο διαδίδονται τα φωτεινά κύματα. Επομένως βασικό ρόλο στην υιοθέτηση της μιας ή της άλλης θεωρίας έπαιζε το κύρος του υποστηρικτή της και για τον λόγο αυτόν η διεθνής επιστημονική κοινότητα είχε αποδεχθεί τη σωματιδιακή θεωρία του Νεύτωνα. Αυτή την κατάσταση ήρθε να ανατρέψει το πείραμα ενός ερασιτέχνη φυσικού, του Τόμας Γιανγκ (Τhomas Υoung).
Πολύγλωσσος και γιατρός
Ο Τόμας Γιανγκ ήταν το πρώτο από τα δέκα παιδιά μιας εύπορης οικογένειας τραπεζιτών και υφαντουργών. Από πολύ μικρός είχε δείξει ασυνήθιστες πνευματικές ικανότητες, αφού έμαθε να διαβάζει σε ηλικία δύο ετών και σε ηλικία 14 ετών μιλούσε ήδη 13 ξένες γλώσσες, μεταξύ των οποίων ελληνικά, λατινικά, γαλλικά, εβραϊκά, γερμανικά, αραβικά και τουρκικά. Οταν τελείωσε το σχολείο σπούδασε ιατρική στο Κέιμπριτζ, άνοιξε ιατρείο στο Λονδίνο και άρχισε να ασκεί το επάγγελμα του γιατρού. Το μεγάλο όμως μέρος της δραστηριότητάς του το απορροφούσε η πραγματοποίηση πειραμάτων, κυρίως στην Οπτική. Το πιο σημαντικό από αυτά έχει μείνει στην ιστορία της Φυσικής ως το πείραμα των δύο σχισμών.
Στο πείραμα αυτό ο Γιανγκ χρησιμοποίησε δύο διαφράγματα, ένα με χαραγμένη μία σχισμή και ένα άλλο με χαραγμένες δύο σχισμές. Τοποθέτησε τα δύο διαφράγματα παράλληλα μεταξύ τους και προσανατόλισε το δεύτερο έτσι ώστε οι δύο σχισμές του να είναι παράλληλες με τη σχισμή του πρώτου. Τοποθέτησε μια πηγή φωτός πίσω από το διάφραγμα με τη μία σχισμή και παρατήρησε ότι στον τοίχο απέναντι από το δεύτερο διάφραγμα εμφανίστηκε μία ταινία από χρωματιστές και σκοτεινές γραμμές, που συνήθως ονομάζονται συνολικά κροσσοί συμβολής. Οταν αφαιρούσε το διάφραγμα με τις δύο σχισμές, εξαφανίζονταν και οι κροσσοί αφήνοντας στη θέση τους λευκό φως· και όταν το τοποθετούσε ξανά, εμφανίζονταν και πάλι οι κροσσοί. Η ερμηνεία που έδωσε ήταν ότι αυτό που παρατηρούσε ήταν το φαινόμενο συμβολής δύο πηγών κυμάτων, η καθεμιά από τις οποίες συνέπιπτε με μία από τις σχισμές του δεύτερου διαφράγματος.
Βότσαλα στη λίμνη
Το φαινόμενο της συμβολής είναι εύκολο να το παρατηρήσει κανείς σε δύο κύματα που διαδίδονται στην επιφάνεια ενός υγρού. Κάθε στιγμή τα δύο κύματα προστίθενται, έτσι ώστε το ύψος σε ένα σημείο να είναι ίσο με το άθροισμα των υψών του κάθε κύματος. Οταν σε ένα σημείο φθάσουν δύο κορυφές ή δύο κοιλάδες ταυτόχρονα, τότε το κύμα που παρατηρείται έχει διπλάσιο ύψος ή βάθος. Οταν όμως φθάσει η κορυφή του ενός κύματος και η κοιλάδα του άλλου, τότε η επιφάνεια μένει ήρεμη, σαν να μην υπάρχει καθόλου κυματισμός. Αυτή η κατάσταση αντιστοιχεί στις σκοτεινές γραμμές που παρατηρούσε ο Γιανγκ, όπου δεν υπάρχει φως. Από τη διαφορετική θέση των χρωματιστών γραμμών ο Γιανγκ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το κάθε χρώμα αντιστοιχεί σε κύματα διαφορετικού μήκους κύματος. Ετσι, έπειτα από 100 χρόνια ανέσυρε από την αφάνεια την κυματική θεωρία του Χόιχενς, η οποία είχε αγνοηθεί από την τότε διεθνή επιστημονική κοινότητα έναντι της σωματιδιακής θεωρίας του συγχρόνου του Νεύτωνα.
Με φίλτρα μέτρησε τα μήκη κύματος
Στην τελική μορφή του πειράματος ο Γιανγκ τοποθέτησε χρωματιστά φίλτρα πριν από το διάφραγμα με την απλή σχισμή και πέτυχε να υπολογίσει το μήκος κύματος του κάθε χρώματος. Μετρώντας την απόσταση των δύο σχισμών, την απόσταση του δεύτερου διαφράγματος από τον τοίχο και την απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών σκοτεινών κροσσών, βρήκε ότι το κόκκινο χρώμα έχει μήκος κύματος 0,7 χιλιοστά του χιλιοστομέτρου και το ιώδες 0,4. Επεκτείνοντας μάλιστα την αναλογία των φωτεινών κυμάτων με τα κύματα επιφάνειας μπόρεσε να ερμηνεύσει και το φαινόμενο της πόλωσης. Υπέθεσε ότι η κύμανση του μέσου στο οποίο διαδίδεται το φως είναι κάθετη προς τη διεύθυνση διάδοσης, οπότε υπάρχουν δύο διευθύνσεις κύμανσης κάθετες μεταξύ τους, η καθεμιά από τις οποίες αντιστοιχεί σε μια ακτίνα με ξεχωριστές ιδιότητες. Οσο για το είδος του μέσου στο οποίο διαδίδεται το φως δεν είχε κάποια συγκεκριμένη ιδέα, ωστόσο οι μεταγενέστεροι φυσικοί του 19ου αιώνα θεώρησαν ότι είναι ένα είδος αβαρούς ρευστού, μη ανιχνεύσιμου με τις αισθήσεις μας, το οποίο ονόμασαν αιθέρα. Ετσι έγινε γενικά αποδεκτή η κυματική φύση του φωτός.
Η ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΑΝΑΤΡΟΠΗ
Οπως συμβαίνει συχνά στη Φυσική,η γενικά παραδεκτή αντίληψη για την κυματική φύση του φωτός ανατράπηκε στο τέλος του 19ου αιώνα,όταν ο Πλανκ πρότεινε ότι το φως αποτελείται από σωματίδια,τα οποία ονόμασε κβάντα. Αν αυτό είναι σωστό,τότε πώς είναι δυνατόν να εμφανίζει το κυματικό φαινόμενο της συμβολής,που παρατήρησε ο Γιανγκ; Το 1909 ο Τζέφρι Τέιλορ (Geoffrey Taylor) επανέλαβε το πείραμα του Γιανγκ χρησιμοποιώντας μια φωτογραφική πλάκα για ανιχνευτή και μια πολύ ασθενή πηγή φωτός, έτσι ώστε σε κάθε στιγμή να περνά από το όργανο μόνο ένα φωτόνιο.Η διαπίστωση ότι εξακολουθούν να εμφανίζονται κροσσοί συμβολής ήταν ένα από τα πρώτα πειραματικά αποτελέσματα που έδειξαν την παράξενη φύση της Κβαντομηχανικής,όπου δεν ισχύει η αριστοτελική λογική.Σύμφωνα με την τελευταία,το φως θα έπρεπε να είναιείτεκύμα είτεσωματίδιο,ενώ σύμφωνα με την Κβαντομηχανική είναικαικύμακαισωματίδιο!
Το 1961 το πείραμα επαναλήφθηκε από τον Γερμανό Κλάους Γένσον (Clauss Jonsson) με ηλεκτρόνια αντί για φωτόνια,με το ίδιο αποτέλεσμα της εμφάνισης κροσσών συμβολής.Ετσι επιβεβαιώθηκε πανηγυρικά η θεωρία του γάλλου φυσικού και νομπελίστα Ντε Μπρέιγ (Louis de Βroglie),σύμφωνα με την οποία ο παράδοξος δυϊσμός σωματιδίουκύματος της Κβαντομηχανικής δεν ισχύει μόνο για τα φωτόνια αλλά και για υλικά σωματίδια,όπως τα ηλεκτρόνια.
Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης.
