Τι είναι το φώς;

Αρχικά όπως είναι φυσικό οι αρχαίοι Έλληνες, εφευρέτες όλων των επιστημών δεν ήταν δυνατόν ν’ αδιαφορήσουν για αυτή την οντότητα. Έτσι αρχής γενομένης από τον Θαλή τον Μιλήσιο (640-546 π.Χ.) άρχισαν να αναζητούν τις αιτίες των διαφόρων φαινομένων, μεταξύ αυτών και των οπτικών, και να θεμελιώνουν και αναπτύσσουν την οπτική επιστήμη, η οποία βεβαίως ξεκινά με το φώς και την όραση. Ο Πυθαγόρας ο Σάμιος (580-500 π.Χ.) και οι οπαδοί του πίστευαν ότι η όραση οφείλεται σε φωτεινές ακτίνες πού ανακλώνται στα διάφορα αντικείμενα, εκπεμπόμενες όμως από τα μάτια. Ο Εμπεδοκλής (495-435 π.Χ.) βελτιώνει κάπως την θεωρία και ερμηνεύει διάφορα φαινόμενα δεχόμενος ότι το φώς είναι σωματιδιακή κίνηση πολύ μεγάλης ταχύτητας πού απορρέει από το φωτίζον σώμα, ενώ οι φυσικοί φιλόσοφοι Λεύκιππος και Δημόκριτος (460-379 π.Χ.) υποστηρίζουν, όπως είναι φυσικό,  την σωματιδιακή φύση του φωτός και μιλούν για εκπομπές, πάντα από τα μάτια όμως , στοιβάδων ατόμων. Ο Πλάτων (428-347 π.Χ.) ασχολείται κι’ αυτός με την οπτική και προσπαθεί να συγκεράσει τις διάφορες απόψεις προτείνοντας ότι το φώς είναι πύρ, ή κάτι σαν πύρ, για να φτάσουμε στον παμμέγιστο Αριστοτέλη, ο οποίος έλεγε: «τὸ δὲ φῶς οἷον χρῶμά ἐστι τοῦ διαφανοῦς, ὅταν ᾖ ἐντελεχείᾳ διαφανὲς ὑπὸ πυρὸς ἢ τοιούτου οἷον τὸ ἄνω σῶμα· καὶ γὰρτούτῳ τι ὑπάρχει ἓν καὶ ταὐτόν» (Το φως είναι τρόπον τινά το χρώμα του διαφανούς, όταν το διαφανές γίνεται εντελεχεία διαφανές είτε υπό του πυρός είτε υπό άλλης αιτίας τοιαύτης, οίον είναι το άνω σώμα (ο ήλιος)· διότι και τούτο το σώμα έχει τι το αυτό με το πυρ). δοκεῖ τετὸ φῶς ἐναντίον εἶναι τῷ σκότει· ἔστι δὲ τὸ σκότος στέρησις τῆς τοιαύτης ἕξεως ἐκ διαφανοῦς, ὥστε δῆλον ὅτικαὶ ἡ τούτου παρουσία τὸ φῶς ἐστιν.( Το φως φαίνεται ότι είναι το εναντίον προς το σκότος. Το δε σκότος είναι στέρησις της τοιαύτης καταστάσεως του διαφανούς, ώστε φανερόν είναι ότι και το φως είναι η παρουσία της καταστάσεως ταύτης).

Εν συνεχεία ο Επίκουρος (341-270 π.Χ.), ο Ευκλείδης (365-300 π.Χ.), ο Αρχιμήδης (287-212 π.Χ.), ο Κλαύδιος Πτολεμαίος (287-212 π.Χ.) και ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς  δίνουν νέα ώθηση στην οπτική επιστήμη και τις πρακτικές εφαρμογές της.  Είναι γνωστή η ιστορία, σύμφωνα με την οποία ο Αρχιμήδης με κάτοπτρα πού συγκέντρωναν τις ηλιακές ακτίνες κατέκαυσε τον ρωμαϊκό στόλο κατά τον Β΄ Καρχηδονιακό Πόλεμο.  Χρειάστηκαν να περάσουν περίπου 2.000 χρόνια για να προστεθεί κάτι νέο στις θεωρίες περί της φύσεως του φωτός με τις θεωρίες του Καρτέσιου και του Νεύτωνα στο τέλος τού 17^ου και αρχές του 18^ου μ.Χ. αιώνα, οι οποίοι υποστήριξαν την σωματιδιακή φύση του φωτός (όχι και τόσο νέα θεωρία βεβαίως). Φαινόμενα όμως πού δεν ερμηνεύονταν με την σωματιδιακή φύση ανάγκασαν αργότερα τον Χόιγκενς να υποστηρίξει την κυματική φύση (μηχανισμός μεταφοράς δηλαδή ενέργειας), και να συμφωνήσουν μαζί του ο Όιλερ, πού έλεγε ότι ο ήλιος είναι καμπάνα πού κουδουνίζει φώς, και ο Γιούγκ, ο οποίος το 1801 απέδειξε υποτίθεται την κυματική φύση του φωτός. Η θεωρία αυτή προϋπέθετε την ύπαρξη ενός ελαστικού μέσου μέσα στον οποίο και με την βοήθεια του οποίου διαδίδεται το φώς. Έτσι δέχτηκαν την ύπαρξη του αιθέρα, την ξεχασμένη πεμπτουσία του Αριστοτέλη, η οποία υπάρχει παντού στο σύμπαν.

Η έρευνα όμως συνεχίστηκε, το κυνήγι του φωτός δεν τέλειωσε, αφού οι Μάικελσον – Μόρλεϊ με το περίφημο πείραμά τους απέδειξαν το 1887, ότι αιθέρας δεν υφίσταται και συνεπώς η κυματική θεωρία του φωτός (μηχανικό κύμα, όπως ο ήχος) κατέρρευσε. Έτσι φτάσαμε στον Μάξγουελ ο οποίος απέδειξε με τις περίφημες εξισώσεις του, ότι το φώς εξακολουθεί να είναι κύμα, αλλά ηλεκτρομαγνητικό (όπως τα ραδιοτηλεοπτικά) και ως τέτοιο δεν έχει ανάγκη μέσου διαδόσεως, έτσι ο αιθέρας δεν χρειάζεται. Για την ακρίβεια ο Μάξγουελ καθόρισε το φώς σαν τμήμα ενός απέραντου συνεχούς φάσματος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, εκείνου το οποίο ερεθίζει το μάτι.  Κοινό χαρακτηριστικό όλων των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι η ταχύτητα, 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, ενώ αυτό πού τα διαφοροποιεί είναι η συχνότητα ή το μήκος κύματος. Μετά από 25 χρόνια ο Χέρτζ επιβεβαίωσε την ηλεκτρομαγνητική κυματική φύση του φωτός, τα ηλεκτρομαγνητικά μάλιστα κύματα τα έλεγαν από το όνομά του και ερτζιανά. Τα κύματα αυτά συνιστούν διάδοση ηλεκτρικού (Ε) και μαγνητικού (Η) πεδίου κάθετων μεταξύ τους και ως προς την διεύθυνση πού διαδίδονται  και παράγονται από επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία, παλλόμενα ηλεκτρικά δίπολα κ.ά.

Όμως το 1900 ο Μάξ Πλάνκ, ένας Γερμανός φυσικός  εισάγει την έννοια των κβάντα (πακέτα ενέργειας), τα οποία θα μετονομασθούν σε φωτόνια, και η θεωρία περί φωτός αναδιαμορφώνεται. Το φώς αποτελείται από τα φωτόνια λέει ο Πλάνκ, σωματίδια δηλαδή με μηδενική όμως μάζα ηρεμίας, και κάθε φωτόνιο ισοδυναμεί με ένα πακέτο ενέργειας. Η σωματιδιακή δηλαδή θεωρία επανέρχεται στο προσκήνιο και οι παλαιές αντιπαραθέσεις μεταξύ των υποστηρικτών της κυματικής και των υποστηρικτών της σωματιδιακής φύσης αναζωπυρώθηκαν. Το 1905 ένας άλλος Γερμανός φυσικός, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, για να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο εισάγει την έννοια του φωτοηλεκτρονίου και διατυπώνει την άποψη ότι το φώς αποτελείται από σωματίδια, πού όμως έχουν ιδιότητες κύματος, αποδεχόμενος στην πραγματικότητα την ορθότητα και των δύο θεωριών και συμβιβάζοντας τις αντιμαχόμενες μερίδες. Το 1923 ένας Αμερικανός φυσικός, ο Άρθουρ Κόμπτον έδειξε ότι τα φωτόνια έχουν ορμή και ενίσχυσε την θεωρία του Αϊνστάιν.

Σημερινές αντιλήψεις

Σήμερα, με την εξέλιξη της κβαντομηχανικής και την συμβολή των Νίλς Μπόρ, Ντέ Μπρολί, Βέρνερ Χάιζενμπεργκ, Έρβιν Σρέντιγκερ, Μάξ Μπόρν και Φέινμαν, τα πράγματα είναι πιο απλά(;). Δεχόμαστε δηλαδή ότι το φώς άλλοτε συμπεριφέρεται σαν κύμα και άλλοτε σαν πλήθος σωματιδίων και … καθαρίσαμε! Άλλωστε και το ηλεκτρόνιο, υποατομικό σωματίδιο, το δεχόμαστε άλλοτε σαν κύμα και άλλοτε σαν σωματίδιο, ανάλογα με το φαινόμενο πού θέλουμε να παρατηρήσουμε και γενικότερα ισχυριζόμαστε ότι η ύλη ισοδυναμεί με ενέργεια πού εκδηλώνεται άλλοτε ως κύμα και άλλοτε ως σωματίδια. Η ύλη δηλαδή και η ενέργεια είναι οι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος. Τι είναι το νόμισμα όμως, αυτό καθ’ εαυτό αγνοείται. Για την ακρίβεια αυτό πού παρατηρούμε δεν είναι η ίδια η φύση, αλλά ένας τρόπος αντιδράσεως αυτής. Ανάλογα πώς παρατηρούμε π.χ. το ηλεκτρόνιο, αυτό αντιδρά και αυτό πού μας δείχνει είναι η αντίδρασή του, κυματική ή σωματιδιακή. Δηλαδή μετά από δύο χιλιετίες παραμένουμε στις ιδέες ουσιαστικά πού είχαν οι αρχαίοι Έλληνες για το φώς, απλώς διατυπώθηκαν σαφέστερα ίσως και κομψότερα, αφού βοήθησε προς τούτο και η μεγάλη εξέλιξη των μαθηματικών.

Αρα:

                               Φώς = Σωματίδια + Κύμα

Παραγωγή φωτός

Άς δούμε τώρα πώς παράγεται το φώς. Με την πρόοδο πού έχει επιτευχθεί τις τελευταίες δεκαετίες στην θεωρητική φυσική και στις θεωρίες πού περιγράφουν  την  δομή του ατόμου είναι κατανοητός ο τρόπος πού παράγονται τα φωτόνια, δηλαδή το φώς. Είναι γνωστό ότι η ύλη αποτελείται από τα περίφημα άτομα των προσωκρατικών φυσικών φιλοσόφων Λεύκιππου και Δημόκριτου με διαφοροποιημένες βεβαίως ιδιότητες. Τα άτομα αυτά είναι μικρογραφίες του ηλιακού συστήματος αφού στο κέντρο τους υπάρχει ο πυρήνας, ενώ γύρω από αυτόν περιφέρονται αλλά και περιστρέφονται τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, σε καθορισμένες τροχιές πού καθορίζουν και την ενέργειά τους. Ο πυρήνας αποτελείται από θετικά φορτισμένα σωματίδια, τα πρωτόνια, και από ουδέτερα,  τα ουδετερόνια ή νετρόνια. Όταν για κάποιο λόγο, π.χ. επίδραση φωτός (φωτονίων) ή κρούση με άλλο σωματίδιο, ένα ηλεκτρόνιο εγκαταλείπει την τροχιά του και μεταβαίνει σε άλλη τροχιά υψηλότερης ενεργειακής στάθμης, όπως λέμε, προσλαμβάνοντας ενέργεια, τότε το άτομο διεγείρεται. Στην κατάσταση αυτή το άτομο δεν παραμένει επί πολύ, αλλά επανέρχεται στην προηγούμενη σταθερή κατάσταση (αποδιέγερση) ενώ το ηλεκτρόνιο επιστρέφει στην τροχιά του δίνοντας την ενέργεια πού προσέλαβε προηγουμένως. Η απόδοση της ενέργειας αυτής γίνεται με την μορφή ενός φωτονίου. Τα φωτόνια αυτά πού δραπετεύουν κατά κάποιο τρόπο από τα άτομα, συνιστούν αυτό πού αντιλαμβανόμαστε ως φώς.

Έτσι γεννιούνται τα δομικά συστατικά τού φωτός, δηλαδή τα φωτόνια. Ανάλογα μάλιστα με την ενέργεια πού αποδίδεται στο αποβαλλόμενο φωτόνιο, αυτό αντιστοιχεί σε ορισμένη συχνότητα ή μήκος κύματος. Αν τώρα αυτό το μήκος κύματος είναι τέτοιο πού μπορεί και διεγείρει τον αμφιβληστροειδή χιτώνα του ματιού μιλάμε για το ορατό φώς, αλλιώς έχουμε την αόρατη (ακτίνες Γ, ακτίνες Χ, υπεριώδη, υπέρυθρη, ραντάρ, ραδιοκύματα, μικροκύματα) περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Με άλλα λόγια το σύνολο των συχνοτήτων πού μπορούν να προκύψουν από την αποδιέγερση των ατόμων αποτελεί το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ένα τμήμα του οποίου είναι το φώς. Συγκεκριμένα η πολύ μικρή περιοχή πού αντιστοιχεί στο ορατό και φαίνεται σαν έγχρωμη ταινία. Το φώς είναι το σύνολο αυτών των χρωμάτων πού αθροιστικά εισερχόμενα στο μάτι του παρατηρητή δίνουν το σύνηθες λευκό φώς.