2015: μια χρονιά για το φως

Στις 20 Δεκεμβρίου 2013 η Γενική Συνέλευση του Οργανισμού Ηνωμένων Εθνών (ΟΗΕ) όρισε το 2015 ως Διεθνές Ετος του Φωτός και των τεχνολογιών που βασίζονται σ’ αυτό. Με αυτή την ευκαιρία δίνουμε στο παρόν αφιέρωμα μια σύντομη ιστορία της εξέλιξης των ιδεών και των εννοιών που σχετίζονται με το φως, καθώς και τις βασικότερες εφαρμογές του στη σύγχρονη τεχνολογία.

Το φως κυριαρχεί στην καθημερινή ζωή μας και υπεισέρχεται σε διάφορα φαινόμενα πολύ συνηθισμένα, όπως π.χ. στη δημιουργία της σκιάς. Η κατανόηση όμως της φύσης του και των ιδιοτήτων του άργησε να διαμορφωθεί στο επίπεδο που γνωρίζουμε σήμερα. Ιστορικά διαπιστώνουμε ότι δύο ήταν τα σημεία όπου υπήρχε έντονη διάσταση απόψεων μεταξύ των επιστημόνων-ερευνητών: πρώτον, ποια είναι η φύση του φωτός και, δεύτερον, πόση είναι η ταχύτητα με την οποία διαδίδεται. Για το δεύτερο ερώτημα είχαν διατυπωθεί από την Αρχαιότητα δύο πιθανές απαντήσεις: (α) το φως διαδίδεται ακαριαία, δηλαδή με άπειρη ταχύτητα, και (β) το φως διαδίδεται με κάποια πεπερασμένη ταχύτητα. Από καιρό έχουμε καταλήξει στο συμπέρασμα ότι το φως διαδίδεται με μεγάλη –αλλά όχι άπειρη –ταχύτητα. Η ταχύτητα αυτή είναι μάλιστα μια χαρακτηριστική σταθερά της Φυσικής η οποία συνδέει την Οπτική με τον Ηλεκτρομαγνητισμό και με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Για το πρώτο ερώτημα η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη. Η κρατούσα άποψη στην Αρχαιότητα ήταν ότι βλέπουμε επειδή τα μάτια μας εκπέμπουν ένα απροσδιόριστο είδος ακτίνων. Με βάση την έννοια των ακτίνων φωτός αναπτύχθηκε κατά τους ελληνιστικούς χρόνους ο κλάδος της Οπτικής που ονομάζεται Γεωμετρική Οπτική. Το σημαντικότερο σύγγραμμα αυτού του κλάδου είναι τα Οπτικά του Ευκλείδη, ο οποίος είχε κατανοήσει ότι στο πλαίσιο της υπόθεσης των ακτίνων φωτός τα οπτικά φαινόμενα μπορούν να ερμηνευθούν είτε υποθέτοντας ότι οι ακτίνες εκπέμπονται από τα μάτια μας είτε ότι εισέρχονται σε αυτά, αρκεί η ταχύτητα του φωτός να είναι άπειρη. Ο Γαληνός, ο σημαντικότερος γιατρός των ελληνιστικών χρόνων, πίστευε στη θεωρία της εκπομπής και γι’ αυτόν τον λόγο η τελευταία αυτή παρέμεινε γενικά αποδεκτή ως τα μέσα του Μεσαίωνα.

Η έννοια των ακτίνων δεν ήταν συμβατή με κύματα οποιουδήποτε είδους, γι’ αυτό και η ιδέα που γενικά επικρατούσε στην Αρχαιότητα είναι πως οι ακτίνες φωτός αποτελούνται από σωματίδια. Οι ατομικοί φιλόσοφοι, μάλιστα, όπως ο Δημόκριτος και αργότερα ο Λουκρήτιος, είχαν διατυπώσει αυτή την άποψη με μεγάλη σαφήνεια. Οπαδός της σωματιδιακής φύσης του φωτός ήταν και ο Νεύτωνας. Την εποχή του Νεύτωνα όμως ένας άλλος μεγάλος φυσικός, ο Ολλανδός Κρίστιαν Χάουχενς (Hyughens), διατύπωσε τη θεωρία ότι το φως είναι κυμάνσεις. Στην κλασική αντίληψη της αριστοτελικής λογικής τα δύο παραπάνω ενδεχόμενα φαίνονται ως ασύμβατα μεταξύ τους: το φως θα είναι είτε σωματίδια είτε κύματα. Για τον λόγο αυτόν έγιναν πολλά πειράματα με σκοπό να διαπιστώσουμε αν το φως έχει κυματικές ιδιότητες, τα οποία δεν κατέληγαν όμως σε οριστικά συμπεράσματα. Το πρόβλημα λύθηκε από την Κβαντική Θεωρία των Πλανκ και Αϊνστάιν, στην οποία δεν ισχύει η αριστοτελική λογική! Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, το φως άλλοτε συμπεριφέρεται ως σωματίδιο και άλλοτε ως κύμα, χωρίς να είναι κανένα από τα δύο!

Παρ’ όλο που η πρόοδος της επιστήμης είναι συνεχής, είναι ενδιαφέρον το ότι μπορούμε να παρουσιάσουμε την εξέλιξη των ιδεών μας για το φως με βάση γεγονότα-ορόσημα που συνέβησαν από την Αναγέννηση ως σήμερα με μια περιοδικότητα 50 ετών.

Ο τελευταίος μεγάλος επιστήμονας που πιστεύει ότι η ταχύτητα του φωτός είναι άπειρη, ο Γάλλος Καρτέσιος (Descartes), γράφει το 1615 την πρώτη πραγματεία του, στην οποία μεταξύ άλλων υποστηρίζει την άποψη ότι η ταχύτητα του φωτός είναι άπειρη. Πολλοί άλλοι όμως σημαντικοί επιστήμονες της εποχής, όπως ο Ολλανδός Μπέκμαν (Beeckman) και ο Ιταλός Γαλιλαίος, πιστεύουν στην πεπερασμένη ταχύτητα του φωτός και μερικά χρόνια αργότερα προσπαθούν –ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον –να τη μετρήσουν πειραματικά. Δυστυχώς λόγω της εξαιρετικά μεγάλης τιμής της (300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο) η πειραματική μέτρησή της αποδείχθηκε πολύ δύσκολη υπόθεση. Το μόνο που μπόρεσε να συμπεράνει ο Γαλιλαίος είναι ότι η ταχύτητα του φωτός είναι «τουλάχιστον 10 φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου». Θα έπρεπε να περιμένουμε άλλα 200 χρόνια για την πρώτη εργαστηριακή μέθοδο μέτρησης της ταχύτητας του φωτός από τους Φιζό (Fizau) και Φουκό (Foucault).

Η χρονιά αυτή αποτελεί πραγματικά ορόσημο στην εξέλιξη της κατανόησης της φύσης του φωτός. Ο Νεύτωνας περιγράφει τα πειράματά του στα οποία μελετά το φάσμα που προκύπτει λόγω της ανάλυσης του ηλιακού φωτός από ένα πρίσμα και τα ερμηνεύει με τη σωματιδιακή υπόθεση. Ο μεγάλος αντίπαλός του Ρόμπερτ Χουκ (Hooke) δημοσιεύει τη θεωρία του για το φως και τα χρώματα στην οποία εισάγει την κυματική θεωρία για τη φύση του φωτός. Τέλος, ο Χάουχενς ερμηνεύει τα χρώματα που παρατηρούνται πάνω από λεπτές στρώσεις υγρών ως το αποτέλεσμα της συμβολής του φωτός, φαινόμενο που προβλέπεται μόνο από την κυματική φύση του φωτός.

1715: σωματιδιακή φύση

Η αγγλική επιστημονική Βασιλική Εταιρεία (Royal Society) αποφαίνεται υπέρ της θεωρίας του Νεύτωνα για τη σωματιδιακή φύση του φωτός και κατά της κυματικής θεωρίας του Χάουχενς.

Καμία σημαντική εξέλιξη για τη φύση του φωτός. Η απόφαση της Βασιλικής Εταιρείας υπέρ της σωματιδιακής θεωρίας του Νεύτωνα και οι αυξανόμενες ενδείξεις για το πεπερασμένο της ταχύτητάς του δεν ευνοούν τον σχεδιασμό και την εκτέλεση νέων πειραμάτων. Η σωματιδιακή φύση του φωτός και η ερμηνεία του Νεύτωνα για το φαινόμενο των χρωμάτων, τη διάθλαση και την ανάκλαση θεωρούνται «καθιερωμένη» θεωρία και η «αυθεντία» του Νεύτωνα δεν αμφισβητείται. Η κατάσταση στην Οπτική δεν άλλαξε για περίπου 100 χρόνια μετά τον θάνατο του Νεύτωνα και του Χάουχενς. Η κοινότητα των φυσικών είχε υιοθετήσει το σωματιδιακό μοντέλο του Νεύτωνα και η κυματική θεωρία του Χάουχενς είχε περιπέσει σε αφάνεια.

Στις αρχές του 19ου αιώνα ο άγγλος φυσικός Τόμας Γιανγκ (Young) απέδειξε αδιαμφισβήτητα την κυματική φύση του φωτός πραγματοποιώντας το γνωστό πείραμα των δύο σχισμών. Στο πείραμα αυτό φως από δύο σχισμές συμβάλλει σε μια οθόνη απέναντι από αυτές και δημιουργεί κροσσούς συμβολής, δηλαδή εναλλασσόμενες σκοτεινές και φωτεινές ταινίες. Ομως το «βάρος» της άποψης του Νεύτωνα, σε συνδυασμό με την αδυναμία της θεωρίας του Γιανγκ να ερμηνεύσει το φαινόμενο της πόλωσης, είχε διατηρήσει το μοντέλο της σωματιδιακής φύσης του φωτός ζωντανό. Το 1815 ο Γάλλος Ογκιστέν Φρενέλ (Fresnel) δημοσιεύει το πρώτο από μια σειρά σημαντικότατων άρθρων στα οποία παρουσιάζει τη μαθηματική βάση της κυματικής θεωρίας του φωτός. Τρία χρόνια αργότερα, χρησιμοποιώντας την υπόθεση ότι το φως αποτελείται από εγκάρσιες ταλαντώσεις (δηλαδή, ταλαντώσεις κάθετες προς τη διεύθυνση της διάδοσης των κυμάτων), έδωσε την οριστική απόδειξη της κυματικής φύσης του φωτός. Υπολόγισε την ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας ως συνάρτηση της θέσης παρατήρησης πίσω από έναν αδιαφανή κυκλικό δίσκο και υπέβαλε τα αποτελέσματα της εργασίας του σε έναν διαγωνισμό που είχε προκηρύξει η Γαλλική Ακαδημία. Από τα πέντε μέλη της κριτικής επιτροπής ο καλύτερος σε θέματα μαθηματικών ήταν ο Σιμεόν Πουασόν (Poisson), ο οποίος διαπίστωσε ότι, σύμφωνα με τη θεωρία του Φρενέλ, η σκιά που εμφανίζεται σε ένα πέτασμα πίσω από τον κυκλικό δίσκο δεν είναι πάντα εντελώς σκοτεινή. Σε ορισμένες περιπτώσεις, που εξαρτώνται από το μήκος κύματος του φωτός, από την απόσταση του πετάσματος από τη φωτεινή πηγή και από τη διάμετρο του δίσκου, στο κέντρο της σκιάς πίσω από τον κυκλικό δίσκο θα έπρεπε να εμφανίζεται μια φωτεινή κηλίδα. Το φαινόμενο αυτό δεν μπορούσε να ερμηνευθεί με κανέναν τρόπο από τη σωματιδιακή θεωρία. Το πείραμα επιβεβαίωσε αυτή την πρόβλεψη, ο Φρενέλ κέρδισε το βραβείο και επικράτησε οριστικά η κυματική θεωρία του φωτός, ώσπου η Κβαντομηχανική έδειξε ότι το φως είναι μια «περίεργη» σύνθεση κυμάτων και σωματιδίων.

Ξεκινώντας από τα πειραματικά αποτελέσματα του Μάικλ Φαραντέι (Faraday) και βασιζόμενος στην αρχή ότι οι διάφοροι κλάδοι της Φυσικής θα πρέπει να συνδέονται με αναλογίες και να περιγράφονται από «κομψούς» νόμους, ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ (Maxwell) δημοσίευσε το 1865 την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του. Η θεωρία αυτή αποτελείται από ένα σύστημα 20(!) διαφορικών εξισώσεων, εξισώσεων δηλαδή που περιγράφουν τις μεταβολές των διάφορων ηλεκτρικών και μαγνητικών μεγεθών. Προφανώς ένα τέτοιο σύστημα είναι εξαιρετικά δύσκολο να λυθεί, ήταν όμως σχετικά εύκολο εκείνη την εποχή να βρεθεί μια ειδική λύση η οποία ισχύει σε περιοχές που δεν υπάρχουν ηλεκτρικά φορτία και ρεύματα. Στην περίπτωση αυτή οι εξισώσεις έχουν για λύση εγκάρσια κύματα του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου, τα οποία διαδίδονται, συνδεδεμένα μεταξύ τους, με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του φωτός! Ο Μάξγουελ, γνωρίζοντας την ιδέα του Φαραντέι ότι το φως είναι διαταραχές του μαγνητικού πεδίου, δεν μπορούσε να δεχθεί ότι η ισότητα της ταχύτητας των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με την ταχύτητα του φωτός ήταν μια απλή σύμπτωση. Τη θεώρησε λοιπόν απόδειξη της ηλεκτρομαγνητικής φύσης του φωτός, όπως και πραγματικά συμβαίνει. Επομένως το φως είναι μόνο μια μικρή περιοχή μηκών κύματος από ολόκληρο το φάσμα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, αυτή η οποία γίνεται αντιληπτή από τα μάτια μας. Αλλες περιοχές γίνονται αντιληπτές με άλλους τρόπους, π.χ. η υπέρυθρη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία γίνεται αισθητή ως «ζέστη» από το δέρμα μας.

Πριν από 100 χρόνια ο Αλμπερτ Αϊνστάιν (Einstein) διατύπωσε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, βασισμένος στη φιλοσοφική αντίληψή του ότι οι νόμοι της Φυσικής θα πρέπει να είναι οι ίδιοι, ανεξάρτητα από τον τρόπο με τον οποίον κινείται ο παρατηρητής (αυτός δηλαδή που κάνει τα πειράματα). Αυτή η επέτειος αποτελεί ξεχωριστό αντικείμενο του σημερινού επετειακού φύλλου. Εδώ απλώς σημειώνουμε τον κομβικό ρόλο που παίζει το φως στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, αφού η ταχύτητά του αποτελεί μία από τις δύο βασικές σταθερές της θεωρίας (η άλλη είναι η παγκόσμια σταθερά της βαρύτητας).

Οι Αρνο Πενσίας (Penzias) και Ρόμπερτ Γουίλσον (Wilson), μηχανικοί της αμερικανικής εταιρείας τηλεπικοινωνιών AT&T Bell, δοκίμαζαν στα μέσα της δεκαετίας του 1960 μια νέου είδους κεραία λήψης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Στόχος της κεραίας αυτής ήταν η καταγραφή των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που είχαν ανακλασθεί από τεχνητούς δορυφόρους. Επειδή το αναμενόμενο σήμα ήταν πολύ ασθενές, το πείραμα είχε σχεδιασθεί έτσι ώστε να «φιλτράρονται» όλες οι πιθανές παρεμβολές. Το 1965 δημοσίευσαν τα αποτελέσματα του πειράματός τους, σύμφωνα με τα οποία πέρα από τις ανακλάσεις των δορυφόρων παρατηρούσαν πάντα και μια ασθενή ακτινοβολία που φαινόταν να προέρχεται ισοτροπικά από όλες τις διευθύνσεις του χώρου. Σύντομα έγινε κατανοητό ότι αυτό που παρατηρούσαν ήταν ο απόηχος της Μεγάλης Εκρηξης, δηλαδή ήταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμφθηκε κατά τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του Σύμπαντος υπό μορφή ακτίνων-γ. Λόγω της διαστολής του Σύμπαντος, η ακτινοβολία αυτή με την πάροδο του χρόνου μετατοπιζόταν σε ολοένα και μεγαλύτερα μήκη κύματος. Ετσι πέρασε διαδοχικά από τις ακτίνες-Χ, την υπεριώδη ακτινοβολία, το φως, την υπέρυθρη ακτινοβολία και σήμερα παρατηρείται στην περιοχή των μικροκυμάτων. Η σημασία αυτής της παρατήρησης αναλύεται διεξοδικά στην παράγραφο που ασχολείται με την εφαρμογή της ΓΘΣ στην Κοσμολογία.

Τι μας επιφυλάσσει, άραγε, η χρονιά του φωτός που μόλις αρχίζει; Κανείς δεν μπορεί να κάνει προβλέψεις στην επιστήμη, αξίζει όμως να υπενθυμίσουμε ότι το Νομπέλ Φυσικής του 2014 απονεμήθηκε για την εφεύρεση του LED λευκού φωτός, μιας καινοτομίας που άλλαξε ριζικά τα δεδομένα στο κόστος και την ποιότητα φωτισμού των σπιτιών και των χώρων εργασίας μας.