Η παράξενη φύση του φωτός

Το φως μας επιτρέπει να κατανοούμε τον κόσμο γύρω μας. Η γλώσσα μας το δείχνει άλλωστε: ΄να χυθεί φως στην υπόθεση’. Στις κρίσιμες στιγμές που περνάμε περιμένουμε ‘λίγο φως στην άκρη του τούνελ’. Τι είναι όμως το φως; Τι θα βλέπαμε αν εστιάζαμε σε μια ακτίνα φωτός; Όλοι ξέρουμε ότι το φως ταξιδεύει με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Τι είναι όμως αυτό που τρέχει τόσο γρήγορα; Η απάντηση σίγουρα δεν είναι εύκολη. Όμως με βάση τις εργασίες των φυσικών των τελευταίων 150 ετών μπορούμε να δώσουμε με σιγουριά κάποιες εξηγήσεις. Όχι μόνο γνωρίζουμε πλέον πολλά για τη φύση του φωτός αλλά μπορούμε να το ελέγχουμε με σχετικά μεγάλη ακρίβεια. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα να το χρησιμοποιήσουμε με εκπληκτικά καινούργιους τρόπους. Αυτός είναι και ο λόγος που ο Οργανισμός Ηνωμένων Εθνών έχει αφιερώσει το έτος που διανύουμε ως ‘Παγκόσμιο Έτος Φωτός’.

Υπάρχουν πολλοί τρόποι να περιγράψουμε το φως. Ας αρχίσουμε με την παραδοχή ότι το φως είναι μια μορφή ακτινοβολίας ή κύμα, όπως λέμε στη φυσική. Η φύση αυτής της ακτινοβολίας καταννοήθηκε από τους φυσικούς στη διάρκεια του 19ου αιώνα μέσα απο τις έρευνες όχι του φωτός αλλά του ηλεκτρομαγνητισμού. Ο Έρστεντ με τα πειράματά του, ο Φάραντεϋ με τη θεωρητική του σύλληψη και ο Μάξουελ με τις μαθηματικές εξισώσεις του έδειξαν ότι το φως είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Να μην ξεχάσουμε εδώ και τον Χερτζ που επιβεβαίωσε πειραματικά τη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού.

Η θεωρία αυτή μπορεί να μην σημαίνει πολλά για όλους μας, βοηθάει όμως να κατανοήσουμε αυτό που ξέρουμε: το φως αποτελείται από πολλά χρώματα, το φάσμα του ορατού φωτός. Στο ουράνιο τόξο μπορεί κανείς να διακρίνει τα 7 χρώματα της ίριδας αν προσπαθήσει όμως πολύ. Ο ίδιος ο Νεύτονας που πρώτος ανέλυσε το φως σε χρώματα δεν το κατόρθωνε. Γιατί τότε επέμενε στο επτά; Ίσως γιατί το επτά είναι ένα μυστήριος αριθμός από την αρχαιότητα ακόμα: επτά νότες της κλίμακας, επτά ημέρες της εβδομάδας, οι επτά σοφοί της αρχαιότητας.

Σήμερα ξέρουμε ότι το χρώμα είναι μια ιδιότητα που σχετίζεται με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Για παράδειγμα το κόκκινο αντιστοιχεί σε μήκη κύματος από 620 έως 750 νανόμετρα και στο άλλο άκρο του φάσματος το ιώδες από 380 έως 450 νανόμετρα. Υπάρχουν όμως ακτινοβολίες με μήκη κύματος πέρα από αυτά τα όρια που δεν γίνονται αντιληπτές από τον άνθρωπο. Κοντά στο ορατό φάσμα είναι η υπέρυθρη και η υπεριώδης ακτινοβολία. Έχουμε επίσης με ακόμα μεγαλύτερα ή μικρότερα μήκη κύματος τα μικροκύματα, τα ραδιοκύματα, τις ακτίνες Χ και την ραδιενεργό ακτινοβολία γ. Η φύση αυτών των ακτινοβολιών είναι πανομοιότυπη. Αυτό που κάνει το φως να ξεχωρίζει είναι ότι γίνεται αντιληπτό απο το ανθρώπινο μάτι!

Ο Νεύτονας ακόμα πίστευε ότι το φως αποτελείται απο μια δέσμη σωματιδίων φωτός που ταξιδεύουν ευθύγραμμα με μεγάλη ταχύτητα. Τα σωματίδια αυτά χτυπούν και ανακλούνται σε ένα καθρέφτη όπως οι ελαστικές μπάλες. Άλλοι φυσικοί πίστευαν ότι το φως έχει κυματική φύση: διαδίδεται στο χώρο όπως οι μικρές ρυτιδώσεις στην επιφάνεια του νερού. Τι από τα δύο όμως ισχύει; Το περίφημο πείραμα της διπλής σχισμής του Γιανγκ απέδειξε ότι το φως έχει κυματική συμπεριφορά. Αν φωτίσουμε με ενα λέιζερ ένα διάφραγμα που έχει δύο σχισμές σε μικρή απόσταση θα δούμε σε μια οθόνη πίσω από το διάφραγμα όχι το είδωλο των δύο σχισμών άλλά κάτι που μοιάζει με barcode! Το συμπέρασμα αυτό συμφωνούσε και με τις μαθηματικές εξισώσεις του Μάξουελ. Και ύστερα ήρθε η κβαντική επανάσταση.

Στα τέλη του 19ου αιώνα οι φυσικοί μελετούσαν την εκπομπή φωτός από θερμά σώματα. Γνωρίζαν τη σχέση ανάμεσα στην εκπεμπόμενη ακτινοβολία και τη θερμοκρασία του σώματος αλλά δεν βρίσκαν την φυσική εξήγηση. Τη λύση έδωσε ο Πλανκ το 1900 που πρότεινε ότι η ενέργεια της φωτεινής ακτινοβολίας είναι ‘πακεταρισμένη’ σε μικρά ποσά που ονόμασε κβάντα (πληθυντικός της λατινικής λέξης quantum ? μικρό ποσό). Την έννοια του κβάντου χρησιμοποιήσε αργότερα και ο Αϊνστάιν για να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, εργασία για την οποία τιμήθηκε το 1921με το βραβείο Νόμπελ (και όχι για τη θεωρία της σχετικότητας για την οποία είναι διάσημος!). Τα κβάντα αυτά ενέργειας ο Αϊνστάιν ονόμασε φωτόνια. Τα φωτόνια συμπεριφέρονται σαν σωματίδια που έχουν όμως μηδενική μάζα. Το φως και όλες οι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες μεταφέρονται απο φωτόνια. Προκύπτει επομένως ένας ‘δυισμός’ στη φύση του φωτός, ένα ‘παράδοξο’. Οι φυσικοί αποδέχονται το παράδοξο αυτό. Και όχι μόνο: προσπαθούν να εκμεταλευτούν τη παραδοξότητα της φύσης του φωτός.

Μια τρελή ιδέα προκύπτει από το φαινόμενο της ‘κβαντικής διεμπλοκής’. Σύμφωνα με αυτή οι ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων (ηλεκτρόνια, φωτόνια) βρίσκονται σε μόνιμη συσχέτιση όσο μακριά και να είναι τα σωματίδια στο σύμπαν. Μια αλλαγή σε ιδιότητα του ενός σωματιδίου επιφέρει άμεσα αλλαγή στην αντίστοιχη ιδιότητα του συσχετισμένου σωματιδίου. Η κβαντομηχανική δηλαδή λέει ότι η ταχύτητα μετάδοσης της πληροφορίας είναι άπειρη! Αυτό θα μπορούσαμε να το χρησιμοποιήσουμε σε χρηματιστηριακές συναλαγές καθώς και στην κωδικοποίηση και κρυπτογράφηση των συναλλαγών χρησιμοποιώντας φωτόνια ως κανάλια επικοινωνίας. Η πρόσβαση στα κανάλια αυτά θα ήταν πρακτικά αδύνατη δεδομένου ότι όποιος διάβαζε κάποιο από αυτά τα σωματίδια θα γίνονταν αμέσως αντιληπτός αφού το συσχετισμένο κβαντικό σωματίδιο θα άλλαζε αμέσως συμπεριφορά!

Οι φυσικοί όμως δεν έχουν κανένα πρόβλημα να εκμεταλευτούν και την κυματική φύση του φωτός. Στο Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ πειραματίζονται με την εφαρμογή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου σε οπτικούς υπολογιστές. Χρησιμοποιούν παλμούς ακτίνων Χ για να δουν αρχικά το μεταβαλλόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μιας φωτεινής ακτίνας, το οποίο στη συνέχεια σχεδιάζουν να διαμορφώσουν φορτώνοντάς το με πληροφορία. Κάτι αντίστοιχο συμβαίνει με τη διαμόρφωση των ραδιοκυμάτων για τη μετάδοση τηλεοπτικού σήματος. Στη συνέχεια το διαμορφωμένο φως αλληλεπιδρά με μέταλλα εξάγοντας με ελεγχόμενο τρόπο ηλεκτρόνια. Δημιουργούμε έτσι ηλεκτρικά ρεύματα κινώντας τα ηλεκτρόνια στους αγωγούς με φως. Το φως γίνεται δηλαδή ένα εργαλείο για τη κατασκευή πανίσχυρων υπολογιστών. Και μη νομίσετε ότι αυτό είναι κάτι καινούργιο. Οι οργανισμοί μέσα από την εξέλιξη ανέπτυξαν φωτοευαίσθητους ιστούς. Τα μάτια μας δεν είναι παρά ανιχνευτές φωτονίων που χρησιμοποιεί ο άνθρωπος για να εξερευνά τον κόσμο γύρω του.

Η σύγχρονη τεχνολογία επεκτείνει αυτό το εξελικτικό πλεονέκτημα. Να θυμίσουμε ότι το Νόμπελ Χημείας για το 2014 απονεμήθηκε για την επινόηση ενός πανίσχυρου οπτικού μικροσκοπίου το οποίο μπορεί να δει πέρα από το όριο των 0,2 μικρών του κλασικού οπτικού μικροσκοπίου. Ένας ιός για παράδειγμα δεν είναι ορατός παρά μόνο με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Με το μικροσκόπιο αυτο μπορούμε να δούμε ζωντανά βιομόρια (πρωτεΐνες και dna) χωρίς τους περιορισμούς του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Το φως δηλαδή μας δίνει την δυνατότητα να δούμε πράγματα που νομίζαμε ότι δεν θα βλέπαμε ποτέ.

Υ.Γ. : Το άρθρο είναι αφιερωμένο στην Ελληνική Πολιτεία η οποία ροκανίζει τις ώρες διδασκαλίας της φυσικής στο Λύκειο και αρνείται τον εκσυγχρονισμό των αναλυτικών προγραμμάτων στερώντας τη δυνατότητα των μαθητών και μελλοντικών πολιτών της να έρθουν σε επαφή με τη σύγχρονη φυσική. Έτσι οι μαθητές αποφοιτούν έχοντας διδαχθεί τα επιτεύγματα της φυσικής του 1700 και ψήγματα του 1800. Η ίδια Πολιτεία, τη στιγμή που στον κόσμο γιόρταζαν το Έτος Φωτός κάνοντας αφιερώματα στην έκλειψη Ηλίου της 20ης Μαρτίου, έκλεισε τους μαθητές στις αίθουσες για ‘προστασία’.