ΦΩΣ

Από την αρχαιότητα ο Υπερίων, ο Απόλλων, ο Φαέθων, ο Δίας, και ο Προμηθέας συνδέθηκαν με το φώς. 

Είναι μάλιστα γνωστό το μαρτύριο του τελευταίου επειδή αποκάλυψε στον άνθρωπο την φωτιά (= πηγή φωτός), πού αποτελούσε επτασφράγιστο μυστικό των θεών, τέτοια ήταν η σημασία του. 

Το ιερό πύρ άλλωστε διατηρείτο άσβεστο από την αρχαιότητα σε διάφορα μέρη της Ελλάδος, με ευθύνη ηλικιωμένων γυναικών στους Δελφούς, ενώ στην Ρώμη το φρόντιζαν στα ιερά της Εστίας οι Εστιάδες Παρθένες από την εποχή του Νουμά. 

Τά σημερινά καντήλια πρέπει να είναι κατάλοιπα αυτού του πανάρχαιου ιερού φωτός, πού η Ορθοδοξία ευφυώς υιοθέτησε. Ακόμα και τά σύγχρονα κοσμικά κράτη ανά την υφήλιο επιχειρούν να αντλούν ιερότητα και μυστικισμό από την Ολυμπιακή Φλόγα του Απολλωνίου Φωτός, όταν κάθε τέσσερα χρόνια διοργανώνουν τους ψευδολυμπιακούς αγώνες, αυτή την ύβρι προς το πνεύμα των προγόνων μας και όνειδος των νεοελλήνων. 

Τέλος το φώς συνδέθηκε με την γνώση, την αλήθεια, την δικαιοσύνη, τον παράδεισο, ενώ το αντίθετό του, το σκότος, συνδέθηκε με την άγνοια, το ψέμα, την αδικία, την κόλαση. Και δικαίως. Μια μικρή γεύση της αξίας του παίρνουμε, εάν κλείσουμε για λίγο τά μάτια μας, οπότε στερούμαστε την ευεργετική του επίδραση. Η ανάγκη να τά ξανανοίξουμε θα είναι αδήριτος και επιτακτική.

Ιστορική αναδρομή

Τι είναι όμως το φώς; Πώς γεννιέται; Πώς διαδίδεται; Πώς επιδρά στο μάτι και προκαλεί την αίσθηση της οράσεως; Στο πρώτο ερώτημα, όσο και αν φαίνεται παράδοξο, η επιστήμη κατέληξε να δηλώσει μάλλον άγνοια. Ανακάλυψε βεβαίως μηχανισμούς παραγωγής φωτός, αγνοεί πάντως τι είναι πραγματικά αυτό πού παράγεται και χρησιμοποιεί κατά κόρον και ποικιλοτρόπως. Κατά καιρούς νόμιζε ότι έλυσε το μυστήριο της φύσης του φωτός και διατύπωνε θεωρίες περί αυτής, σύντομα όμως περιερχόταν σε αδιέξοδο, αφού δεν μπορούσε να εξηγήσει κάποιο νέο φαινόμενο πού προκαλούσε το φώς. 

Αλλά άς πάρουμε τά πράγματα με την σειρά.

Όπως είναι φυσικό οι αρχαίοι Έλληνες, εφευρέτες πασών των επιστημών δεν ήταν δυνατόν ν’ αδιαφορήσουν για την οντότητα αυτή. 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 και εκπέμπονται από τά 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 τά 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 στόν 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 γὰρ τούτῳ 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 τε τὸ φῶς ἐναντίον εἶναι τῷ σκότει· ἔστι δὲ τὸ σκότος στέρησις τῆς τοιαύτης ἕξεως ἐκ διαφανοῦς, ὥστε δῆλον ὅτι καὶ 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 17ου και αρχές του 18ου 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 τά 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 τά διαφοροποιεί είναι η συχνότητα (ή το μήκος κύματος). 

Μετά από 25 χρόνια ο Χέρτζ επιβεβαίωσε την ηλεκτρομαγνητική κυματική φύση του φωτός, τά ηλεκτρομαγνητικά μάλιστα κύματα τά έλεγαν από το όνομά του και ερτζιανά. 

Τά κύματα αυτά συνιστούν διάδοση ηλεκτρικού (Ε) και μαγνητικού (Η) πεδίου καθέτων 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), τά οποία θα μετονομασθούν σε φωτόνια, και η θεωρία περί φωτός αναδιαμορφώνεται. Το φώς αποτελείται από τά 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. 

Τό 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 τά 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, τά 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 αυτού 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.

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 τά φωτόνια, δηλαδή το φώς. Είναι γνωστό ότι η ύλη αποτελείται από τά περίφημα άτομα των προσωκρατικών φυσικών φιλοσόφων Λεύκιππου και Δημόκριτου με διαφοροποιημένες βεβαίως ιδιότητες. Τά άτομα αυτά είναι μικρογραφίες του ηλιακού συστήματος αφού στο κέντρο τους υπάρχει ο πυρήνας, ενώ γύρω από αυτόν περιφέρονται αλλά και περιστρέφονται τά αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, σε καθορισμένες τροχιές πού καθορίζουν και την ενέργειά τους.. Ο πυρήνας αποτελείται από θετικά φορτισμένα σωματίδια, τά πρωτόνια, και από ουδέτερα, τά 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. Τά φωτόνια αυτά πού δραπετεύουν κατά κάποιο τρόπο από τά άτομα, συνιστούν αυτό πού αντιλαμβανόμαστε ως φώς. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η διέγερση ενός ατόμου από επίδραση (απορρόφηση) φωτονίων (αριστερά) και η αποδιέγερση με την εκπομπή φωτονίων και την επιστροφή των ηλεκτρονίων στην αρχική τους στοιβάδα (δεξιά).

Έτσι γεννιούνται τά δομικά συστατικά τού φωτός, δηλαδή τά φωτόνια. Ανάλογα μάλιστα με την ενέργεια πού αποδίδεται στο αποβαλλόμενο φωτόνιο, αυτό αντιστοιχεί σέ 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, άλλως έχομε την αόρατη (υπεριώδη ή υπέρυθρη) 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 τό φώς. Συγκεκριμένα η πολύ μικρή περιοχή πού αντιστοιχεί στο ορατό και φαίνεται σαν έγχρωμη ταινία , όπως φαίνεται και στις παρακάτω εικόνες. Το φώς είναι το σύνολο αυτών των χρωμάτων πού αθροιστικά εισερχόμενα στο μάτι του παρατηρητή δίνουν το σύνηθες λευκό φώς.

Το φάσμα

Στην εικόνα πού ακολουθεί φαίνεται το σύνολο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας πού εκπέμπεται μάλιστα από τον ήλιο με αντιστοίχηση σε διάφορα ισοδύναμα αντικείμενα των διαφόρων περιοχών του φάσματος. Η κλίμακα αντιστοιχεί σε μήκη κύματος από 10-18 έως 106 μέτρα. Στα μικρότερα μήκη κύματος αντιστοιχούν οι μεγαλύτερες συχνότητες κι εκεί εντοπίζονται οι ακτίνες χ και οι ακτίνες γ, ενώ στα μεγάλα μήκη κύματος (μικρές συχνότητες) έχομε τις υπέρυθρες ακτίνες και πέραν αυτών τις ραδιοφωνικές.

Στήν παρακάτω εικόνα είναι εμφανέστερες οι διάφορες περιοχές του φάσματος, αφού εμφανίζονται και οι περιοχές των κυμάτων ραντάρ, FM, τηλεοράσεως, μικροκυμάτων και ΑΜ. Ταυτόχρονα απομονώνεται η ορατή περιοχή μεταξύ 10-8 και 10-6 μέτρων και μεγεθύνεται για να φανεί η έγχρωμη ταινία. Σ’ αυτήν το μήκος κύματος μετρείται πλέον σε νανόμετρα, δηλαδή δισεκατομυριοστά του μέτρου για να είναι εμφανείς οι ακριβείς περιοχές μήκους κύματος των διαφόρων χρωμάτων πού συνθέτουν το ορατό λευκό φώς.

Παρατηρούμε ότι το μήκος κύματος του ορατού φωτός κυμαίνεται από 400 νανόμετρα έως 700 και παράγεται από την ανακατανομή των ηλεκτρονίων στα άτομα και τά μόρια. Κάθε υποπεριοχή του ορατού φάσματος προκαλεί στον παρατηρητή την αίσθηση κάποιου συγκεκριμένου χρώματος. Έτσι από 700 έως 630 νανόμετρα έχομε το ερυθρό, από 630 έως 590 πορτοκαλί, από 590 έως 560 κίτρινο, από 560 έως 480 πράσινο, από 480 έως 440 κυανό καί από 440 έως 400 ιώδες. Μια στενή περιοχή περίπου 10 νανομέτρων λέμε ότι αντιστοιχεί σε μονοχρωματική ακτινοβολία. Απόλυτα μονοχρωματικό φώς, δηλαδή μιάς μόνο συχνότητας αποτελεί εξιδανίκευση, την οποία προσεγγίζει όμως η ακτινοβολία λέιζερ. Ανάλυση του λευκού φωτός στα χρώματά του έχομε στο ουράνιο τόξο ή μπορούμε να επιτύχουμε με ένα πρίσμα όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Άλλοι τρόποι παραγωγής φωτός

Εκτός από την αποδιέγερση των ατόμων ηλεκτρομαγνητικά κύματα παράγονται από ταλαντούμενα ηλεκτρικά δίπολα, όπως ήδη αναφέρθηκε, πυρηνικές διασπάσεις κ.λ.π. Στην εικόνα παρακάτω φαίνεται μια πυρηνική διάσπαση. Το παραγόμενο φώς είναι εκτυφλωτικό. Αυτό πού παράγεται δε από έκρηξη έστω και μικρής ατομικής βόμβας, σίγουρα θα προκαλέσει τύφλωση στον παρατηρητή της.

Επίσης φωτόνια παράγονται και με την σύγκρουση ενός ηλεκτρονίου με το αντισωματίδιό του, το αντιηλεκτρόνιο (ποζιτρόνιο), οπότε παράγονται φωτόνια. Αυτό συμβαίνει π.χ. στην διπλανή εικόνα, όπου ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο πλησιάζουν, εξαφανίζονται και τά δύο και ελευθερώνεται ένα αντίστοιχο ποσό ενέργειας μέ τήν μορφή δύο φωτονίων, η οποία σχεδόν ακαριαία μετατρέπεται σε άλλα υποατομικά σωματίδια. Εν προκειμένω θα πρέπει να αναφέρουμε ότι σύμφωνα με τις τελευταίες αντιλήψεις της φυσικής, ο κόσμος απαρτίζεται από την ύλη με τη γνωστή δομή της από πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια κ.λ.π. και από την αντιύλη, η οποία συντίθεται απ’ τά αντισωματίδια, δηλαδή αντιπρωτόνια, αντινετρόνια, κ.λ.π. Κατά την σύγκρουση ύλης και αντιύλης αυτά εξαφανίζονται με ταυτόχρονη εμφάνιση ενέργειας, δηλαδή φωτονίων. Ισχύει βεβαίως και το αντίστροφο. Δηλαδή είναι δυνατή η γένεση ύλης και αντιύλης από φωτόνια, και το φαινόμενο τότε λέγεται δίδυμη γένεση. Μια περίπτωσή της φαίνεται στην εικόνα δεξιά. Ένα φωτόνιο ακτινοβολίας γ προσκρούει σ’ ένα ηλεκτρόνιο και μετατρέπεται σε ηλεκτρόνιο (ύλη) και ποζιτρόνιο (αντιύλη) πού διαγράφουν σπειροειδείς τροχιές αντίστροφης φοράς λόγω αντίθετου φορτίου, μέσα στον χώρο μαγνητικού πεδίου πού διαδραματίζονται τά συμβάντα αυτά.

Επίλογος

Συνοψίζοντας και κλείνοντας την παρούσα εργασία, το φώς, η μυστηριώδης ουσία πού είτε λάμπει στο στερέωμα από τον ήλιο, είτε τρεμοσβήνει ερχόμενο από τά άστρα, είτε ξεχύνεται από τά πυροτεχνήματα σε χίλια χρώματα, είτε σπινθηρίζει από μια πυγολαμπίδα, είτε , είτε, είτε … θεωρούμε ότι είναι μια μορφή ενέργειας, μια οντότητα πού έχει ιδιότητες σωματιδίου, προκειμένου να εξηγήσουμε κάποια φαινόμενα, τίς αλληλεπιδράσεις του π.χ. με την ύλη, και ιδιότητες κύματος προκειμένου να εξηγήσουμε άλλα φαινόμενα, όπως π.χ. η περίθλαση. Αν στο μέλλον παρατηρηθούν νέα φαινόμενα, ίσως για να ερμηνευθούν απαιτηθεί νέα αναμόρφωση των απόψεων περί της φύσεως του φωτός. Ήδη άρχισε να ξαναγίνεται λόγος για την ύπαρξη του αιθέρα…

http://users.sch.gr/xtsamis/OkosmosMas/Fos/PeriFotos.htm