Η φύση του φωτονίου

Μπορεί το στοιχειώδες σωματίδιο του φωτός να είναι τόσο συνηθισμένο, κρύβει όμως και πολλές εκπλήξεις.

Αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν φωτόνια, είναι αυτό που σε απλή γλώσσα ονομάζουμε φως. Ως κβάντα φωτός, τα φωτόνια είναι τα μικρότερα δυνατά πακέτα ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Διαβάζοντας αυτό το άρθρο στην οθόνη μας, οι ροές φωτονίων μεταφέρουν τις εικόνες των λέξεων στα μάτια σας. Στην επιστήμη, τα φωτόνια χρησιμοποιούνται για κάτι περισσότερο πέρα από τον φωτισμό. Τα φωτόνια είναι πανταχού παρόντα στην Φυσική – τόσο πολύ που σχεδόν τα ξεχνάς.

Κύμα, Σωματίδιο, Μποζόνιο

Οι άνθρωποι προβληματίζονται για την φύση του φωτός από την αρχαιότητα, με τις πρώτες ιδέες να διατυπώνονται από φιλόσοφους και μελετητές στην Αίγυπτο, την Μεσοποταμία, την Ινδία και την Ελλάδα. Από το τέλος του 17ου και των αρχών του 20ού αιώνα, οι επιστήμονες ταλαντεύονταν μεταξύ σωματιδίου ή κύματος όσον αφορά την φύση του φωτός.

Το 1690, ο Christiaan Huygens δημοσίευσε την πραγματεία του για το φως με τίτλο: ‘Traité de la Lumière‘. Εκεί υποστηρίζει ότι το φως είναι κύματα που διαδίδονται στον αιθέρα, την αόρατη και μυστηριώδη ουσία που νόμιζαν ότι καταλαμβάνει όλο το σύμπαν. Ο Isaac Newton διατύπωσε την διαφωνία του στο βιβλίο με τίτλο ‘Opticks‘, που δημοσιεύθηκε το 1704.

Όταν το φως ανακλάται σε μια επιφάνεια, συμπεριφέρεται όπως ακριβώς ανακλάται μια ελαστική μπάλα. η γωνία πρόσπτωσης ισούται με την γωνία ανάκλασης. Ο Νεύτωνας υποστήριξε ότι αυτό το φαινόμενο, μεταξύ άλλων, θα μπορούσε να εξηγηθεί εφόσον το φως αποτελούταν από σωματίδια (corpuscules). Ένα γυάλινο πρίσμα διαθλά μια ακτίνα λευκού φωτός αναλύοντάς το σε ένα ουράνιο τόξο χρωμάτων. Ο Νεύτωνας παρατήρησε ότι όταν το φως στη συνέχεια διερχόταν ξανά μέσα από ένα δεύτερο πρίσμα, δεν αναλυόταν περαιτέρω – τα χρώματα του ουράνιου τόξου παρέμειναν τα ίδια.

Ο Νεύτωνας υποστήριξε ότι αυτό ερμηνεύεται υποθέτοντας ότι το λευκό φως αποτελείται από πολλά διαφορετικά σωματίδια διαφορετικών μεγεθών. Το κόκκινο φως αποτελούταν από τα μεγαλύτερα σωματίδια. Το ιώδες αποτελούταν από τα μικρότερα. Σύμφωνα με τον Νεύτωνα εξαιτίας των διαφορετικών μεγεθών τα σωματίδια αποκτούσαν κατά την διαδρομή τους στο γυαλί διαφορετικές ταχύτητες. Γι αυτό διασκορπίζονταν, παράγοντας το ουράνιο τόξο των χρωμάτων, ενώ οι μονοχρωματικές ακτίνες του φωτός στη συνέχεια δεν αναλύονταν περαιτέρω από ένα δεύτερο πρίσμα.
Όμως το σωματιδιακό μοντέλο του Νεύτωνα είχε ένα σημαντικό μειονέκτημα. Όταν το φως διέρχεται μέσα από μια μικρή τρύπα, στη συνέχεια διαδίδεται όπως οι κυματισμοί στο νερό. Το σωματιδιακό μοντέλο του Νεύτωνα αδυνατούσε το φαινόμενο αυτό που ονομάζεται περίθλαση κάτι που επιτύγχανε το κυματικό μοντέλο του Huygens.;

Ωστόσο, οι επιστήμονες έτειναν γενικά να απορρίπτουν τον Huygens και να προτιμούν τον Νεύτωνα, το συγγραφέα των Principia, ένα από τα σημαντικότερα βιβλία στην ιστορία της επιστήμης.
Το μοντέλο του Huygens άρχιζε να κερδίζει έδαφος το 1801, όταν ο Thomas Young πραγματοποίησε το πείραμα της διπλής σχισμής. Στο πείραμα του Young το φως προσπίπτει σε ένα διάφραγμα στο οποίο είναι χαραγμένες δύο παράλληλες πολύ λεπτές σχισμές. Το αποτέλεσμα είναι να σχηματίζεται σε ένα πέτασμα πίσω από τις σχισμές μία εικόνα από εναλλασσόμενες φωτεινές και σκοτεινές ζώνες. Το σχέδιο που δημιουργείται ονομάζεται εικόνα συμβολής και αποτελείται από διαδοχικούς φωτεινούς και σκοτεινούς κροσσούς, τους κροσσούς συμβολής. Όπως ακριβώς συμπεριφέρονται τα κύματα.

Διαβάστε τη συνέχεια