Οι δύο φύσεις του φωτός σε κόντρα

Huygens Το 17ο αιώνα ο Ι. Newton διατύπωσε την άποψη ότι το φως θα μπορούσε να θεωρηθεί σαν ένα ρεύμα σωματιδίων, όπως τα βλήματα ενός όπλου ή όπως πολύ αργότερα το περιέγραψε χαρακτηριστικά ο R. Feynman, σαν ένα ντους σωματιδίων. Η μεγάλη, κι όχι άδικα, φήμη του έκανε διάφορους επιστήμονες να μείνουν προσκολλημένοι σ' αυτήν τη θεώρηση για πολλά χρόνια, μέχρις ότου ο Τ. Young κι άλλοι επιστήμονες το 190 αιώνα έδειξαν με τρόπο πειστικό ότι κάπως αλλιώς θα έπρεπε να έχουν τα πράγματα. Μίλησαν λοιπόν για μια άλλη φύση του φωτός, την κυματική.

Εδώ πρέπει να πούμε ότι ο Young δεν ήταν ο πρώτος που μίλησε γι' αυτή τη φύση του φωτός. Από την εποχή του Newton το ενδεχόμενο αυτό στριφογύριζε στο μυαλό των φυσικών. Ο σύγχρονος του Newton φυσικός C. Huygens μίλησε ακριβώς για ένα κύμα σαν αυτά που σχηματίζονται στην επιφάνεια της θάλασσας.

Αυτό το κύμα ήταν το φως και μάλιστα διαδιδόταν σε ένα μέσο αόρατο, αλλά απολύτως απαραίτητο για τη διάδοση αυτή, τον «αιθέρα», στον οποίο θα γίνει αναφορά σε λίγο. Μάλιστα μιλούσε και για μείωση της ταχύτητας των κυμάτων αυτών, όταν διαδίδονταν σε οπτικώς πυκνότερα μέσα. Βέβαια την εποχή εκείνη δεν υπήρχε ούτε κατά διάνοια κάποιος τρόπος μέτρησης αυτής της ταχύτητας του φωτός κι έτσι η διαφορετικότητα των δύο συλλήψεων της φύσης του δεν μπορούσε να απαλειφθεί.

Tα λόγια του Christian Huygens

Ένα ισχυρό σημείο της κυματικής θεωρίας ήταν και το εξής: Όταν το φως συναντά μια οξεία, ας πούμε γωνία, δημιουργεί μια ανάλογα οξεία σκιά. Αν το φως είναι μια ευθύγραμμη διαδοχή σωματιδίων, αποκλείεται να συμβεί αυτό. Παρ' όλα αυτά όμως το 180 αιώνα ελάχιστοι έπαιρναν την κυματική θεωρία στα σοβαρά κι ακόμα λιγότεροι υποστήριζαν ανοιχτά κι αυτό το ενδεχόμενο. Είπαμε, η φήμη και η προσφορά του Newton ήταν τέτοια, που ό,τι έλεγε ήταν το «ευαγγέλιο» της εποχής.

Κατά τον Huygens το φως είναι κύμα, μεταφορά ενέργειας κι όχι ουσίας. Αλλά η σωματιδιακή θεώρηση του φωτός είναι σε θέση να εξηγήσει πολλά από τα φαινόμενα, που παρατηρούμε κι αυτό είναι ένα από τα δυνατά σημεία της ή τουλάχιστον ήταν την εποχή εκείνη.

Πριν πάμε παρακάτω οφείλουμε να «αποκαταστήσουμε» σε δύο σημεία την κυματική θεωρία. Παραπάνω, μιλώντας για τη δημιουργία των χρωμάτων εξηγήσαμε το μηχανισμό της διάθλασης και της δημιουργίας των χρωμάτων. Ας δούμε στην κυματική θεωρία πως αντιμετωπίζονται αυτά τα δύο θέματα.

Ας ξεκινήσουμε με ένα παράδειγμα που δεν έχει σχέση με την οπτική. Υποθέτουμε ότι έχουμε δύο ανθρώπους που κρατάνε τις άκρες από ένα κομμάτι ξύλου. Άρα απέχουν κάποια σταθερή απόσταση μεταξύ τους, που δε θα μειωθεί όσο αυτοί προχωρούν. Υποθέτουμε ότι περπατούν ευθεία, χωρίς να στρίβουν και με την ίδια ταχύτητα. Όσο κρατούν οι δύο άνθρωποι την ίδια ταχύτητα, το κομμάτι του ξύλου μετακινείται παράλληλα με τον εαυτό του, δε στρέφεται δηλαδή, δεν αλλάζει διεύθυνση. Όλες οι διαδοχικές του θέσεις θα είναι παράλληλες μεταξύ τους. Αν, έστω και για μια ασήμαντα μικρή στιγμή, ο ένας απ' τους δύο ανθρώπους αυξήσει ή μειώσει, γενικά μεταβάλλει την ταχύτητά του, τότε το κομμάτι του ξύλου θα στραφεί κι όταν η ταχύτητα των δύο ανθρώπων ξαναγίνει ίση τότε η διεύθυνση της κίνησης του θα είναι σίγουρα διαφορετική απ' ότι πριν. Είναι σημαντικό να ξαναπούμε ότι η αλλαγή της διεύθυνσης έγινε όταν οι δύο άνθρωποι είχαν διαφορετικές ταχύτητες.

$refraction$ Με βάση αυτό το παράδειγμα μπορούμε να καταλάβουμε τη διάθλαση ενός κύματος. Όπως φαίνεται και στο σχήμα αριστερά, έχουμε ένα κύμα το οποίο καθώς κινείται μέσα στον αιθέρα στο δρόμο του συναντά ένα άλλο μέσο, ας πούμε το νερό. Για να είμαστε ακόμα πιο ακριβείς πρέπει να πούμε ότι αυτό που συναντά το νερό είναι το μέτωπο κύματος, που πρόκειται για ένα επίπεδο. Η ταχύτητα με την οποία διαδίδεται το κύμα ή το μέτωπο κύματος γνωρίζουμε ότι είναι διαφορετική σε κάθε μέσο. Άρα η ταχύτητα του κύματος από τον αιθέρα στο νερό θα αλλάζει. Κατά τη (μικρή) χρονική διάρκεια που το μέτωπο κύματος διεισδύει στο νερό, τα διάφορα μέρη του θα έχουν διαφορετικές ταχύτητες. Το τμήμα του μετώπου που θα βρίσκεται στο νερό θα έχει διαφορετική ταχύτητα από το κομμάτι του μετώπου που ακόμα βρίσκεται στον αιθέρα (ή έχει ξεπεράσει το νερό κι έχει ξαναβρεθεί στον αιθέρα). Συνεπώς, και η διεύθυνση του κύματος θα έχει αλλάξει κατά τη διάρκεια της εισόδου της στο νερό, εξαιτίας στη διαφορά της ταχύτητας των διάφορων τμημάτων του κύματος. Άρα και κυματικά παίρνουμε μια εξήγηση για τη διάθλαση.

Με δεδομένο ότι τα κύματα χαρακτηρίζονται από δύο παραμέτρους, την ταχύτητά τους και το μήκος κύματός τους, η κυματική θεωρία μπορεί να εξηγήσει και το ζήτημα του χρώματος με τρόπο απλό. Υποστηρίζει λοιπόν, ότι στα διάφορα χρώματα αντιστοιχούν μήκη κύματος. Το μήκος κύματος π.χ. του κίτρινου φωτός διαφέρει από αυτό του κόκκινου κ.ο.κ.

Μετά απ' όλα αυτά θα μπορούσαμε να κατασκευάσουμε ένα σύντομο πίνακα, ο οποίος να δείχνει τις διαφορές των δύο θεωριών όσον αφορά το σκεδασμό του φωτός:

Σωματιδιακή Γλώσσα	Κυματική Γλώσσα
Τα σωματίδια, που ανήκουν στα διάφορα χρώματα έχουν την ίδια ταχύτητα στο κενό, αλλά διαφορετική σε κάποιο μέσο, π.χ. στο γυαλί.	Οι ακτίνες με μήκη κύματος, που ανήκουν σε διαφορετικά χρώματα έχουν την ίδια ταχύτητα στον αιθέρα, αλλά διαφορετική σε ένα άλλο μέσο, π.χ. στο γυαλί.
Το λευκό φως είναι σύνθεση σωματιδίων, τα οποία ανήκουν σε διαφορετικά χρώματα και που διαχωρίζονται στο φάσμα.	Το λευκό φως είναι σύνθεση κυμάτων όλων των μηκών κύματος, που διαχωρίζονται στο φάσμα.

Ένας απ' τους λίγους, που τόλμησαν να υποστηρίξουν την κυματική θεωρία ήταν ο Ελβετός μαθηματικός L. Euler, που είναι πιο γνωστός για την προσφορά του στην τριγωνομετρία, στο μαθηματικό λογισμό και στη γεωμετρία. Παρεπιμπτόντως, o Euler επειδή δεν ήταν ένας αναγνωρισμένος φυσικός, ποτέ δεν αναγνωρίστηκε επίσημα ως ένας απ' τους ανθρώπους που υποστήριξαν την κυματική φύση του φωτός.

Σχετικοί Σύνδεσμοι (εξωτερικές σελίδες)