Μετάβαση στο κύριο περιεχόμενο

Η διαμάχη για τη φύση του Φωτός: Νεύτωνας, Χουκ, Χόιχενς.

Για να χαρακτηριστεί μια επιστημονική διαφωνία διαμάχη θα πρέπει να έχει κάποια εύλογη χρονική διάρκεια και οι εμπλεκόμενες πλευρές να διατυπώσουν δηµόσια τα επιχειρήματα και αντεπιχειρήματά τους. Η διαμάχη είναι κάτι περισσότερο από μια απλή διαφωνία ή συζήτηση επί επιστημονικών θεμάτων: Τα αντιτιθέμενα μέρη θα πρέπει να υποστηρίζουν το καθένα μια συγκεκριμένη άποψη, την οποία να θεωρούν τόσο σημαντική ώστε να την υπερασπίζονται δηµόσια. Επίσης, για να θεωρηθεί μια διένεξη μεταξύ επιστημόνων επιστημονική διαμάχη, θα πρέπει η διακύβευσή της να αφορά την πρακτική της αντίστοιχης επιστημονικής κοινότητας συνολικά. 

Μια επιστημονική διαμάχη λοιπόν είναι εξ ορισμού μια δηµόσια διαδικασία, στο πλαίσιο της οποίας εκφράζονται απόψεις που επιζητούν να γίνουν αποδεκτές εκ μέρους της εκάστοτε επιστημονικής κοινότητας και να μετασχηματίσουν την πρακτική της. Γι' αυτό και συχνά εµπλέκονται σ' αυτή μεγάλα τμήματα της κοινότητας ή τουλάχιστον παρακολουθούν εκ του σύνεγγυς την εξέλιξή της. Οι πιο κρίσιμες επιστημονικές διαμάχες μετασχηματίζουν τη φυσιογνωμία ενός επιστημονικού κλάδου μερικές φορές τόσο ριζικά που μπορεί να οδηγήσουν στη δημιουργία νέων επιστημονικών κλάδων.

Ο Νεύτωνας γεννήθηκε το 1642 τη χρόνια που πέθανε ο πατέρας του, σε ηλικία μόλις δεκαεννέα χρονών γίνετε δεκτός στο πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ  το 1661. Τα πρώτα πειράματα με το φως τα έκανε στο Cambridge το 1662, στις αίθουσες του Trinity College, αφού δεν υπήρχαν ακόμη οργανωμένα εργαστήρια. Σ’ αυτές τις αίθουσες κατασκεύασε το πρώτο κατοπτρικό τηλεσκόπιο.  Μετά από έντεκα χρόνια το 1672 δημοσιεύει το πρώτο του επιστημονικό άρθρο στο περιοδικό Philosophical Transactions of the Royal Society το οποίο αναφερόταν στην οπτική και συγκεκριμένα στον δείκτη διάθλασης. Στο άρθρο αναλύει την ανακάλυψη του ότι το λευκό φως του Ήλιου είναι αποτέλεσμα της υπέρθεσης όλων των χρωμάτων του ουράνιου τόξου. Το λευκό φως δεν είναι προϊόν ετερογενούς μίξης ακτινών που διαφέρουν τόσο στο αίσθημα του χρώματος που προκαλούν όταν έρθουν σε επαφή με το μάτι όσο και στο βαθμό διάθλασης που υφίστανται σε ένα πρίσμα. Για να μπορεί ο Νεύτων να έχει μια ολοκληρωμένη θεωρία έπρεπε να την επεκτείνει και να συμπεριλάβει και τα χρώματα των σωμάτων, έπρεπε δηλαδή να αποδείξει ότι και η ανάκλαση μπορεί να διαχωρίσει το προϊόν της μίξης στα συστατικά του. Η έρευνα του, η οποία παρουσιάστηκε στο άρθρο του, είχε ως βάση την παρατήρηση του Χουκ, που καταγράφεται στη Μικρογραφία του (1665). Στην οποία ο Χουκ αναφέρει πως στο κενό το φως διαδίδεται όπως διαδίδονται τα ηχητικά κύματα και περιγράφει τους νόμους της διάθλασης υποστηρίζοντας ότι το φως οφείλεται στην διάδοση ή στις παλμικές ωθήσεις του αιθέρα. Στην μικρογραφία του Χουκ ο Νεύτων συνάντησε μια ποικιλία από λεπτά διαφανή σώματα, στον αέρα μεταξύ δυο γυάλινων επιφανειών, με αφορμή τiς παρατηρήσεις του Χουκ, ο Νεύτων κατάφερε να μετρήσει το πάχος υμενίων στα οποία εμφανίζονται τα χρώματα, κάτι στο οποίο, όπως είχε ομολογήσει ο ίδιος ο Χουκ αδυνατούσε να βρει λύσει.

Το άρθρο επικρίθηκε από την Βασιλική Εταιρία με επικεφαλή τον Ρόμπερτ Χουκ, ο οποίος από την μεριά του είχε δημοσιεύσει τις γενικές γραμμές μιας κυματικής θεωρίας του φωτός. Η άμεση αρνητική αντίδραση του Νεύτωνα στην ερμηνεία του Χουκ ήταν η αρχή μιας αντιπάθειας σαράντα ετών μεταξύ δυο αταίριαστων ανθρώπων. Ο Νεύτων αποφάσισε να μην προβεί σε άλλες δημοσιεύσεις στο μέλλον. Όπως και έπραξε με τις μελλοντικές του διαλέξεις οι οποίες δεν περιελάμβαναν τις γραπτές του εργασίες. Επίσης, είχε ορκιστεί πως για όσο χρόνο ο Χουκ ήταν γραμματέας στη Βασιλική Εταιρία ο ίδιος δεν θα παράδιδε εργασίες, το οποίο και έκανε μέχρι τον θάνατο του Χουκ όπου ο Νεύτωνας έγινε πρόεδρος της Εταιρίας. Μετά τον θάνατο του Χουκ ο Νεύτωνας κυκλοφόρησε το βιβλίο του για την οπτική το 1704, το οποίο αποτελούνταν από κείμενα τα οποία είχαν γραφτεί πριν πολλά χρόνια μαζί με το άρθρο του 1672 για το φως, γεγονός που φανερώνει την σχέση του με τον Χουκ. Χαρακτηριστικό της ευφυΐας του και ειδικότερα της άποψης του για τις δημοσιεύσεις αλλά και τις διαμάχες ήταν η διαφήμιση που έκανε στο βιβλίο του στο οποίο ενσωματώνει την εργασία του στην οπτική, με άμεση αναφορά στις διαμάχες που είχαν προκύψει. Χαρακτηριστικά αναφέρει, «… προκειμένου να αποφύγω την ανάμιξη μου με διαμάχες γύρω από τέτοια ζητήματα, έχω καθυστερήσει έως τώρα την εκτύπωση της και ίσως να την καθυστερούσα ακόμη, αν δεν κυριαρχούσε η πειστικότητα φίλων. …».

Μια άλλη διαμάχη του Νεύτωνα ήταν αυτή με τον Ολλανδό επιστήμονα Κρίστιαν Χόιχενς, ο Χόιχενς μεταξύ άλλων διατύπωσε μια κυματική θεωρία για το φως, η οποία μπορούσε να ερμηνεύσει τα φαινόμενα ανάκλασης και διάθλασης. Η βασική ιδέα ήταν ότι κάθε σημείο μιας κυματικής επιφάνειας αποτελούσε το κέντρο ενός καινούριου κύματος και ότι το φως εμφανιζόταν μόνο στην περιβάλλουσα επιφάνεια όλων αυτών των δευτερευόντων κυμάτων. Η θεωρία του Χόιχενς ήταν σωστά δομημένη αλλά δεν αποσαφήνιζε την έννοια της συμβολής των σχέσεων φάσης. Πίστευε ότι οι ταλαντώσεις ήταν διάμηκες, όπως ο ήχος. Ο Χόυχενς άσκησε δριμεία κρητική στις εργασίες του Νεύτωνα, διότι είχε σοβαρές αντιρρήσεις για την σωματιδιακή άποψη του Νεύτωνα. Αυτό ήταν αρκετό για να προκαλέσει  τις χαρακτηριστικές εκρήξεις του Νεύτωνα. Το αντικείμενο των διενέξεων τους δεν είχε καμία σχέση με την θεμελιώδη αντίληψη για τη φύση του φωτός και το σημερινό ενδιαφέρον είναι ανούσιο. 

Η κύρια επιστημονική ένσταση του Νεύτωνα απέναντι στην κυματική θεωρία του Χόυχενς ήταν ότι τα φωτεινά κύματα θα εκτεινόταν και στη σκιά πίσω από το εμπόδιο, ακριβώς όπως και τα κύματα στην επιφάνεια του υγρού. Ο Χόυχενς την κατέρριψε εφαρμόζοντας την ιδέα της ισοφασικής επιφάνειας κατά την οποία κάθε κυματισμός διαδίδεται στην σκιά αλλά στην ίδια διεύθυνση όπου σχηματίζεται η ισοφασική επιφάνεια. Η κυματική αντίληψη του Χόυχενς και η σωματιδιακή αντίληψη του Νεύτων αιτιολογούσαν και οι δύο το ίδιο περίπου ποσοστό από τα βασικά οπτικά φαινόμενα. Ο Νεύτων μπόρεσε να ενσωματώσει την ετερογένεια του φωτός στη σωματιδιακή θεωρία, ενώ ο Χόυχενς δεν κατόρθωσε ποτέ να αιτιολογήσει τα χρώματα. 

Γενικά ο Νεύτωνας υιοθέτησε μια στάση αρκετά πολύπλοκη για την θεωρία του φωτός, η οποία θα πρέπει να συνδυαστεί και με την έντονη πολεμική του προς τον Χουκ. Ο Νεύτωνας ήταν της άποψης ότι μερικοί μελετητές έτειναν να πιστεύουν πως το φως αποτελείται από ασύλληπτα μικρά και ταχύτατα σωματίδια τα οποία εκπέμπονται από τα σώματα. Άλλοι αντιλαμβάνονταν το φως ως κινήσεις που συντελούνται εντός ενός μέσου. Μεταξύ αυτών θα έπρεπε να συγκαταλεχθούν τόσο ο Γκριμάλντι, ο οποίος αντιλαμβανόταν το φως ως ένα ρευστό εντός του οποίου συμβαίνουν κυματικές κινήσεις, όσο και ο Χόιχενς. Ο Νεύτωνας δεν κατέληξε ποτέ σε μια κατηγορηματική διαβεβαίωση της σωματιδιακής θεωρίας, την οποία ωστόσο μετερχόταν ανοικτά και ευρέως. Θεμελιώνει κάθε ισχυρισμό του σε πειραματικά δεδομένα συνάγοντας από αυτά τις διάφορες θέσεις που συνθέτουν τις θεωρίες. Ανάλογα με την εκάστοτε υπό μελέτη περίπτωση προβάλλει λύσεις σωματιδιακού ή κυματικού τύπου. Θεωρεί όμως ότι η κυματική θεωρία δεν είναι σε θέση να εξηγήσει ούτε την ευθύγραμμη διάδοση του φωτός ούτε τον σχηματισμό των σκιών πίσω από τα εμπόδια.




Βιβλιογραφικές Αναφορές
  • Γαβρόγλου, Κ. (2003). Ιστορία της φυσικής και της χημείας. Τόμος A', Πάτρα.
  • Segre, E. (1997). Ιστορία της φυσικής, τόμος Α΄. Από την πτώση των σωμάτων εως τα ραδιοκύματα, Αθήνα. 
  • Rossi, P. (2004). Η γένεση της σύγχρονης επιστήμης στην Ευρώπη. Αθήνα. 
  • Vigoureux, J. (2006). Τα μήλα του Νεύτωνα. Αθήνα. 
  • Westfall, R. (2005). Η ζωή του Ισαάκ Νεύτωνα. Ηράκλειο. 
  • Westfall, R. (1993). Η συγκρότηση της σύγχρονης επιστήμης. Ηράκλειο. 

Σχόλια

Δημοσίευση σχολίου

Δημοφιλείς αναρτήσεις από αυτό το ιστολόγιο

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) Εξισώσεις κίνησης

Περιοδικά ονομάζονται τα φαινόμενα που επαναλαμβάνονται με τον ίδιο τρόπο σε ίσα χρονικά διαστήματα. Π.χ. ομαλή κυκλική κίνηση, κίνηση εκκρεμούς, περιστροφή γης γύρω από τον ήλιο κ.ά.
(Σκέψου μερικά ακόμη…)
Στοιχεία περιοδικής κίνησης Κάθε περιοδική κίνηση χαρακτηρίζεται από τα παρακάτω τρία στοιχειά:
Περίοδος (Τ) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται ο χρόνος που απαιτείται για μια πλήρη επανάληψη του φαινομένου ή ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών επαναλήψεων του φαινομένου.
Η περίοδος είναι μονόμετρο μέγεθος και η μονάδα μέτρησής της είναι το 1 sec.

Συχνότητα (f) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται το φυσικό μέγεθος του οποίου το μέτρο θα δίνεται από το σταθερό πηλίκο του αριθμού Ν των επαναλήψεων του φαινομένου σε κάποιο χρόνο t, προς το χρόνο αυτό.Δηλαδή: Η συχνότητα είναι μονόμετρο μέγεθος και έχει μονάδα μέτρησης το 1 sec-1 ή 1 κύκλος/sec ή 1 Hz (Hertz).



Σχέση μεταξύ περιόδου – συχνότητας Επειδή σε χρόνο t ίσο με μια περίοδο Τ έχουμε μια επανάληψη (Ν=1) του φαινομένου έχουμ…

Ενέργεια Ταλάντωσης

Η ενέργεια της ταλάντωσης Ε (ή ολική ενέργεια) ενός συστήματος που εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση ισούται με την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα για να το θέσουμε σε κίνηση (ταλάντωση). 




Η ενέργεια αυτή θα δίνεται από τη σχέση:  Από την σχέση αυτή προκύπτει ότι το πλάτος Α καθορίζεται από την ενέργεια της ταλάντωσης, δηλαδή από την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα ώστε να αρχίσει να ταλαντώνεται. Σε όλη την διάρκεια της ταλάντωσης η ενέργεια παραμένει σταθερή. Η ενέργεια μιας απλής αρμονικής ταλάντωσης είναι σταθερή και ανάλογη µε το τετράγωνο του πλάτους της.

Απόδειξη της παραπάνω σχέσης. Αν το σώμα βρίσκεται ακίνητο στην θέση ισορροπίας, για να μετακινηθεί σε µια άλλη θέση πρέπει να του ασκηθεί κατάλληλη εξωτερική δύναμη Fεξ . Κατά την μετακίνηση αυτή θα ασκείται στο σώμα και η δύναμη επαναφοράς. 

Για να μετακινηθεί το σώμα στην θέση (x) θα πρέπει το μέτρο της εξωτερικής δύναμης να είναι ίσο µε το μέτρο της δύναμης επαναφοράς και να έχει αντίθετη φορά, σε κάθε χρονι…

Ταλάντωση και Ελατήριο

Ελατήριο ονομάζεται ένα μηχανικό εξάρτημα το οποίο έχει την ικανότητα να αποθηκεύει μηχανική ενέργεια παραμορφώμενο προσωρινά. Συνήθως το σχήμα είναι ελικοειδές, αλλά υπάρχουν και ελατήρια σε σχήμα ράβδου, οι σούστες.
Το κάθε ελατήριο μπορεί να παραμορφωθεί ως προς μία διάστασή του υπό την επίδραση δύναμης. Όταν ασκείται δύναμη σε αυτήν τη διάσταση, το ελατήριο παραμορφώνεται αποθηκεύοντας το έργο της δύναμης.
Ιδανικό ελατήριο Σε ιδανικά θεωρητικά ελατήρια ισχύει απόλυτα ο νόμος του Hook, δε χάνεται ενέργεια στο περιβάλλον και τα ελατήρια μπορούν πάντα να επιστρέψουν στο αρχικό τους μήκος. Επίσης η μάζα του ιδανικού ελατηρίου θεωρείται αμελητέα. [Στην πραγματικότητα χάνεται μικρό ποσό ενέργειας στο περιβάλλον ως θερμική ενέργεια, ενώ η παραμόρφωση μπορεί να γίνει μόνιμη. Κάθε ελατήριο έχει κάποια όρια αντοχής αν τα υπερβούν θα παραμορφωθεί ή θα σπάσει. Επιπλέον, με την επαναλαμβανόμενη χρήση το υλικό χάνει τις ιδιότητές του λόγω μηχανικής κόπωσης και αν δεν αντικατασταθεί θα σπάσει.]

Νόμο…

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) - Συνισταμένη Δύναμη

Από την Α΄ Λυκείου γνωρίζεις τον θεμελιώδη νόμο της Μηχανικής (2ος νόμος του Newton), ΣF=mα. Επίσης, όπως γνωρίζεις για να υπάρχει επιτάχυνση πρέπει να υπάρχει και δύναμη που ασκείται σε κάποιο σώμα. Στην Α.Α.Τ. ισχύει α=-ω2x, ο συνδυασμός αυτών των δυο σχέσεων δίνει τη σχέση: 
ΣF=-m ω2x Από τη σχέση αυτή φαίνεται ότι όταν ένα σώμα εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση η συνολική δύναμη που δέχεται είναι ανάλογη με την απομάκρυνση του σώματος από την Θ.Ι. της τροχιάς του και έχει αντίθετη φορά από αυτήν. Όταν το σώμα περνά από την Θ.Ι. η συνολική δύναμη που δέχεται ισούται με μηδέν. (Για το λόγο αυτό, ονομάζεται θέση ισορροπίας της ταλάντωσης). Επίσης, στις ακραίες θέσεις της ταλάντωσης η ΣF είναι μεγίστη.


Στο βίντεο δες το διάνυσμα της δύναμης επαναφοράς (είναι πάντα προς την θέση ισορροπίας). 



Αν συμβολίσουμε το γινόμενο mω2 με D (που είναι σταθερό για κάθε ταλαντωτή), δηλαδή D = mω2
Τότε θα έχουμε τη σχέση που δίνει τη δύναμη:F = −Dx (Μάθε την απόδειξη)

Η παραπάνω σχέση είναι γνωστή και σαν συν…

Ταλάντωση και πλαστική κρούση

Θυμήσου την ορμή: 
Για ένα σώμα μάζας m που κινείται µε ταχύτητα u η ορμή του p δίνεται από τη σχέση: p=mu

Η ορμή p είναι ένα διανυσματικό μέγεθος το ο­ποίο έχει: μέτρο p = mu,διεύθυνση και φορά ίδια µε τη διεύθυνση και τη φορά της ταχύτητας u,μονάδα μέτρησης στο S.I. το 1 kg ∙ m/s (ισοδύναμη μονάδα είναι το 1 Ν∙s).Η ορμή, ως διανυσματικό μέγεθος, έχει όλες τις ιδιότητες των διανυσμάτων. Έτσι: μπορεί ν' αναλυθεί σε άξονες, δηλαδή σε συ­νιστώσες px και py,μεταβάλλεται αν μεταβληθεί τουλάχιστον ένα από τα στοιχεία της, δηλαδή το μέτρο της, η διεύθυνσή της ή η φορά της.Ο ρυθμός μεταβολής της ορμής (dp/dt) ισούται με την δύναμη ή τη συνισταμένη των δυνάμεων (ΣF) που ασκούνται στο σώμα.

Προσοχή:

Όταν στις ασκήσεις πρέπει να υπολογίσεις την μεταβολή της ορμής τότε θα υπολογίζεις την σχέση:Δp = pτελ – pαρχΕνώ όταν  ζητείται ο ρυθμό μεταβολής της ορμής θα υπολογίζεις τη σχέση: dp/dt ή ΣF. Θυμήσου:
Σύστημα σωμάτων ονομάζουμε κάθε σύνολο σωμάτων, τα οποία απομονώνουμε νοητι…