(Φυσική)
Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που γίνεται αντιληπτή από το ανθρώπινο μάτι, με μήκος κύματος μεταξύ 4000 Å – 8000 Å (0,4-0,8 εκατομμυριοστά του μέτρου). Το φως αποτελεί το αίτιο της [GLi]λειτουργίας της αίσθησης της όρασης, χωρίς το οποίο αυτή θα ήταν ανύπαρκτη.
Το ορατό φως δεν καλύπτει παρά ένα μικρό μέρος του φάσματος του συνόλου της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που αρχίζει από τις υψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες και ακτίνες γ με μήκος κύματος μερικά χιλιοστά του άγκστρομ (10.000 άγκστρομ = 1 εκατομμυριοστό του μέτρου), καλύπτει το φάσμα των ραδιοφωνικών κυμάτων (μερικά χιλιοστά του μέτρου ως μήκη της τάξης του χιλιομέτρου) και καταλήγει στα λεγόμενα τηλεφωνικά και ραδιοφωνικά κύματα με μήκη της τάξης των 1.000 χιλιομέτρων. Ωστόσο, με τον όρο «φως» αναφερόμαστε συνήθως και στις μη ορατές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, τις γειτονικές με την περιοχή της ορατής ακτινοβολίας, αφού οι ιδιότητές τους είναι συγγενείς με εκείνες του ορατού φωτός.
Η ορατή ακτινοβολία οφείλεται σε διεγέρσεις ηλεκτρονίων των ατόμων που μεταπίπτουν από μια ενεργειακή κατάσταση σε άλλη, χαμηλότερης ενέργειας, αποβάλλοντας ένα κβάντο φωτός (φωτόνιο). Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά ανάμεσα στις στάθμες ενέργειας, τόσο μικρότερο είναι και το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτονίου και τόσο μεγαλύτερη η συχνότητά του, όπως προκύπτει από τις σχέσεις Ε = hν (όπου Ε η ενέργεια του φωτονίου, ν η συχνότητα της κυμάνσεως [GLi]και h η σταθερά του Planck ίση με 6,62 x 10-27 έργια x δευτερόλεπτο), και C = νλ (όπου C είναι η ταχύτητα του φωτός, ν η συχνότητα και λ το μήκος κύματος της ακτινοβολίας). Το υπέρυθρο τμήμα του φάσματος, το αμέσως γειτονικό προς το ορατό φως τμήμα, με μεγαλύτερα μήκη κύματος (κυρίως 2-16 εκατομμυριοστά του μέτρου) και μικρότερες συχνότητες (άρα και με μικρότερη ενέργεια) προκαλείται από ταλαντώσεις ή περιστροφές μορίων. Η υπέρυθρη ακτινοβολία είναι ο κατεξοχήν φορέας της θερμικής ενέργειας και ονομάζεται έτσι επειδή γειτονεύει με το κόκκινο τμήμα του ορατού φάσματος. Τέλος, η υπεριώδης ακτινοβολία (με μήκος κύματος 0,2-0,4 εκατομμυριοστά του μέτρου), που γειτονεύει με το ιώδες (μοβ) τμήμα του ορατού φάσματος, έχει τα ίδια αίτια με την ορατή ακτινοβολία, δηλ. τη μετάπτωση ηλεκτρονίων σε χαμηλότερες στάθμες ενέργειας με ταυτόχρονη αποβολή φωτονίου.
Σε κάθε περιοχή μηκών κύματος της ορατής ακτινοβολίας αντιστοιχεί και ένα χρώμα. Όταν όλα αυτά τα χρώματα επιδρούν στο μάτι μας με παρόμοιες εντάσεις, δημιουργείται το αίσθημα του λευκού φωτός. Σύμφωνα με μια μάλλον χοντρική διαίρεση, οι συνιστώσες αυτές του άσπρου φωτός είναι (αρχίζοντας από τα μεγαλύτερα μήκη κύματος) το κόκκινο, το πορτοκαλί, το κίτρινο, το πράσινο, το μπλε, το βαθύ μπλε και το μοβ. Τέτοια είναι η σύνθεση του φωτός μιας λάμπας πυράκτωσης, όχι όμως και του ηλιακού φωτός, γιατί σε διάφορες περιοχές του φάσματος του τελευταίου υπάρχουν σκοτεινές γραμμές, που σημαίνουν ότι η ακτινοβολία που αντιστοιχεί στο μήκος κύματος μιας τέτοιας γραμμής έχει απορροφηθεί από την ηλιακή ατμόσφαιρα.
Για τη Γη ο Ήλιος αποτελεί τη μοναδική άξια λόγου πηγή φωτεινής, αλλά και κάθε είδους ενέργειας. Όπως και τα περισσότερα είδη φωτεινών πηγών, τεχνητών ή φυσικών, η απόδοσή του σε φωτεινή ενέργεια είναι κατά πολύ μικρότερη σε σχέση με την απόδοση [GLi]σε άλλες μορφές ενέργειας (όπως λ.χ. θερμική). Από τις τεχνητές πηγές φωτεινής ενέργειας η λάμπα πυράκτωσης έχει τη μικρότερη απόδοση (10%). Από την εποχή όμως της εφεύρεσής της από τον Έντισον στα τέλη του 19ου αι., παραμένει η κατεξοχήν χρησιμοποιούμενη λάμπα.
Κατά κανόνα οι τεχνητές φωτεινές πηγές που λειτουργούν με ηλεκτρική εκκένωση μέσω του αέρα ή του κενού και όχι μέσω συνεχούς μεταλλικού αγωγού, χωρίζονται σε εκείνες που χρησιμοποιούν χαμηλή τάση και υψηλή ένταση ρεύματος (χωρίς να απαιτείται ιδιαίτερα χαμηλή πίεση για τη λειτουργία τους) και σε εκείνες που λειτουργούν με μεγάλη τάση και μικρή ένταση ρεύματος (στην περίπτωση αυτή η εκκένωση γίνεται σε αρκετά χαμηλή πίεση).
Στην πρώτη κατηγορία ανήκει το βολταϊκό τόξο, ενώ στη δεύτερη ανήκουν οι λεγόμενοι λαμπτήρες φθορισμού, αίγλης κ.ά. Μια κατηγορία λαμπτήρων υψηλού κενού και χαμηλής σχετικά τάσης είναι εκείνες που χρησιμοποιούν ατμούς διάφορων μετάλλων για την αύξηση της αγωγιμότητας του χώρου μεταξύ των ηλεκτροδίων (λυχνίες ατμών νατρίου ή υδραργύρου). Στην περίπτωση αυτή η ηλεκτρική εκκένωση αρχίζει όπως σε έναν κοινό λαμπτήρα φθορισμού, με τη διαφορά ότι η αρχική εκκένωση προκαλεί εξάχνωση ή εξάτμιση μιας ποσότητας μετάλλου που βρίσκεται μέσα στο σωλήνα, οπότε συνεχίζεται μέσω των ατμών του μετάλλου.
Γενικά, οι λάμπες υψηλής τάσης και υψηλού κενού έχουν μεγαλύτερη απόδοση σε φωτεινή ενέργεια. Ωστόσο, η ιδεώδης φωτεινή πηγή υπάρχει στα σώματα μερικών εντόμων, όπως οι πυγολαμπίδες, που παράγουν φως με χημικά μέσα. Αυτό είναι το λεγόμενο «ψυχρό φως», γιατί στην περίπτωση αυτή η απόδοση είναι πρακτικά 100% χωρίς παράλληλη παραγωγή θερμότητας. Το «ψυχρό φως» παράγεται με μια οξείδωση, η οποία γίνεται με τη βοήθεια οργανικών καταλυτών[GLi] (ενζύμων) που χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τη λουσιφερίνη και τη λουσιφεράση. Ωστόσο, δεν έγινε δυνατό μέχρι σήμερα να ανεβεί η απόδοση τεχνητών φωτεινών πηγών σε τέτοια επίπεδα.
Μια σημαντική πρόοδος στον τομέα των φωτεινών πηγών, αν και ξεφεύγει από τα στενά όρια της οπτικής, είναι το λεγόμενο λέιζερ.
Η μελέτη του φωτός, και γενικότερα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, αποτελεί το αντικείμενο ενός κλάδου της Φυσικής, της Οπτικής.
Τα γενικότερα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα και η μελέτη τους συνιστούν ειδικό κεφάλαιο του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού.
Η Οπτική διαιρείται σε δύο κυρίως μέρη, τη γεωμετρική και τη φυσική οπτική. Η γεωμετρική οπτική δεν ασχολείται με τη φύση του φωτός αυτή καθαυτή, αλλά εξετάζει μάλλον τα μακροσκοπικά αποτελέσματά του και έχει μια κατά προσέγγιση εφαρμογή στην πράξη, ενώ η φυσική οπτική ασχολείται με τη φύση του φωτός αυτή καθαυτή και είναι ακριβέστερη στην ερμηνεία των φαινομένων απ’ ό,τι η γεωμετρική οπτική.
Η φυσική οπτική γεννήθηκε από το ερώτημα «τι είναι το φως». Ήδη από το 16ο αι., υπήρχαν δύο αντιμαχόμενες θεωρίες, η σωματιδιακή και η κυματική. Η πρώτη υιοθετήθηκε από το Νεύτωνα και ανήγαγε την οπτική σε κλάδο της Μηχανικής, που ως τα μέσα του 19ου αι. ήταν σε θέση να ερμηνεύει όλα τα προβλήματα ενός μηχανιστικού σύμπαντος. Η δεύτερη, που είχε ως κύριο εκπρόσωπο τον Ολλανδό επιστήμονα Χόγκενς, υποστήριζε ότι το φως ήταν κυμάνσεις που διαδίδονταν με ένα πανταχού παρόν αβαρές μέσο, τον αιθέρα, όπως ακριβώς τα κύματα του ήχου στον αέρα. Η κυματική θεωρία όμως παρέμεινε στην αφάνεια ως την εποχή που ο Σκότος φυσικός Μάξουελ διατύπωσε την ηλεκτρομαγνητική του θεωρία, κατά την οποία το φως ήταν μια ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, διαδιδόμενη πάντα μέσω του αιθέρα.
Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα παράγονται κατά την κίνηση ενός ηλεκτρικού φορτίου (ή μαγνητικού), όπως π.χ. κατά τη διοχέτευση εναλλασσόμενου ρεύματος μέσα από ένα κύκλωμα (στην προκειμένη περίπτωση ημιτονοειδείς κυμάνσεις). Ο Μάξουελ συμπύκνωσε την[GLi] ηλεκτρομαγνητική του θεωρία σε ένα μικρό αριθμό εξισώσεων, που έχουν τη μορφή εξισώσεων μερικών παραγώγων των διανυσμάτων των εντάσεων του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου και δύο άλλων ανάλογων μεγεθών (της μαγνητικής διαπερατότητας και της διηλεκτρικής μετατόπισης). Έτσι, το μαγνητικό πεδίο απέκτησε δική του υπόσταση, ανεξάρτητη από την ύπαρξη ηλεκτρικών και μαγνητικών φορτίων, τουλάχιστον θεωρητικά.
Ωστόσο, ενώ η ηλεκτρομαγνητική θεωρία έλυσε μερικά προβλήματα, δημιούργησε άλλα. Ένα από αυτά ήταν η ύπαρξη του αιθέρα, ο οποίος στάθηκε αδύνατο να αποδειχτεί, και, αφού ταλαιπώρησε επί ένα σχεδόν αιώνα την επιστήμη, τελικά απορρίφθηκε. Το φως κατά συνέπεια διαδιδόταν στο κενό, πράγμα ακατανόητο. Ορισμένα πειράματα που σχετίζονταν με την ύπαρξη του αιθέρα ως απόλυτου συστήματος αναφοράς ή με την αλληλεπίδραση αιθέρα-υλικών μέσων διάδοσης φωτός ή με τη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός (πείραμα Φρέσνελ το 1846, Μάικλσον-Μόρλεϊ το 1887), οδήγησαν τα πράγματα σε τέτοιο αδιέξοδο, που έθεσαν σε αμφισβήτηση τα θεμέλια της κλασικής φυσικής. Τα πειράματα αυτά οδήγησαν στο συμπέρασμα, εκτός από το ότι η υπόθεση της ύπαρξης του αιθέρα ήταν επιζήμια και άχρηστη, πως η αρχή της πρόσθεσης των ταχυτήτων και των γαλιλαϊκών μετασχηματισμών δεν ίσχυε για το φως. Με άλλα λόγια, η ταχύτητα του φωτός ως προς «ακίνητο» παρατηρητή δεν ήταν ίση με την ταχύτητα διάδοσής του σε ένα μέσο συν την ταχύτητα του μέσου εκείνου ως προς τον παρατηρητή. Έτσι, θεωρήθηκε αναγκαστική λύση η διατύπωση από τον Αϊνστάιν της αρχής ότι η ταχύτητα του φωτός είναι ανεξάρτητη από το σύστημα αναφοράς του παρατηρητή (1905) και αποτελεί μια παγκόσμια σταθερά, ίση με 300.000 km/sec περίπου. Αυτό, μαζί με το αξίωμα της σχετικότητας (Πουανκαρέ, 1899), κατά το οποίο η ισοδυναμία των συστημάτων αναφοράς καλύπτει όχι μόνο το αμετάβλητο των νόμων της Μηχανικής αλλά και του μαξουελιανού ηλεκτρομαγνητισμού, αποτέλεσαν τα θεμέλια της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας, που διατυπώθηκε το 1905 από τον Αϊνστάιν.
Κατά την ειδική θεωρία της σχετικότητας, η ταχύτητα του φωτός αποτελεί ένα ανώτερο όριο όλων των ταχυτήτων του σύμπαντος, που είναι αδύνατο να ξεπεραστεί. Ωστόσο, αυτά αναφέρονται στην ταχύτητα του φωτός στο κενό. Για τις ταχύτητες του φωτός σε διάφορα υλικά [GLi]μέσα, όπως ο αέρας ή το νερό, ισχύει η εφαρμογή των γαλιλαϊκών μετασχηματισμών και των προσθαφαιρέσεων των ταχυτήτων. Η ταχύτητα του φωτός σε υλικό μέσο είναι πάντα μικρότερη από την ταχύτητά του στο κενό.
Η γενική θεωρία της σχετικότητας, που διατυπώθηκε αργότερα από τον Αϊνστάιν, προχώρησε μακρύτερα από την ειδική θεωρία, από την άποψη ότι, ενώ η ειδική συνέδεσε χώρο και χρόνο σε μια ενότητα, η γενική συνέδεσε στην ίδια ενότητα και την ύλη (συνεπώς και το πεδίο βαρύτητας).
Κατά τη γενική θεωρία της σχετικότητας το φως υφίσταται την επίδραση του πεδίου βαρύτητας, που προκαλεί καμπύλωση της διεύθυνσης διάδοσής του κατά την κατεύθυνση της έντασης του πεδίου. Στο χώρο της αστροφυσικής αυτό συνδέεται με την υπόθεση των λεγόμενων «μαύρων οπών», περιοχών δηλ., όπου η συγκέντρωση της ύλης έχει ιλιγγιώδεις τιμές, έτσι ώστε η εκπομπή φωτός ή άλλης ακτινοβολίας να είναι αδύνατη. Ωστόσο, η γενική σχετικότητα δεν είναι καθολικά αποδεκτή και δεν έγινε δυνατό να συμβιβαστεί με άλλες θεωρίες, όπως η κβαντική.
Η θεωρία των κβάντα έκανε την εμφάνισή της το 1900, σχεδόν ταυτόχρονα με την ειδική σχετικότητα. Ο Πλανκ, στην προσπάθειά του να ερμηνεύσει τη μορφή του φάσματος εκπομπής του «μέλανος σώματος» (σώματος που απορροφά ολόκληρη την ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτό), υπέθεσε ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκπέμπεται και απορροφάται μόνο κατά ακέραια πολλαπλάσια μιας μονάδας, ενός «κβάντουμ», ενέργειας που συνδέεται με τη συχνότητα ν της ακτινοβολίας αυτής με τη σχέση Ε = hν, όπου Ε το μέτρο του κβάντουμ ενέργειας και h η «σταθερά του Πλανκ». Η υπόθεση του Πλανκ επαληθεύτηκε από τη μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου δύο χρόνια αργότερα.
Κατά τη δεκαετία του ‘20 η θεωρία των κβάντα είχε σχεδόν ολοκληρωθεί από τους Ντε Μπρολί, Χάιζενμπεργκ και Σρέντιγκερ. Τα φωτόνια (κβάντα φωτός) ελάχιστα διέφεραν από τα υλικά σωμάτια, εκτός από το ότι κινούνταν με την ταχύτητα του φωτός και η μάζα ηρεμίας τους ήταν μηδέν. Από το άλλο μέρος, τα υλικά σωμάτια (πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο, νετρόνιο κτλ.) είχαν γίνει λιγότερο υλικά, γιατί είχαν αποχτήσει ένα μήκος [GLi]κύματος και μια συχνότητα. Ύλη και ακτινοβολία έγιναν έτσι δύο μερικές περιπτώσεις μιας γενικότερης οντότητας. Η ύλη απέκτησε κυματικές ιδιότητες και το ηλεκτρομαγνητικό κύμα υλικές. Έτσι, κατά περίεργο τρόπο, επιστρέψαμε κατά ένα μέρος στη σωματιδιακή θεωρία του φωτός. Ωστόσο, οι όροι «σωμάτιο» και «κύμα» έχουν έννοια εντελώς διαφορετική από εκείνη της καθημερινής ζωής. Τα ηλεκτρομαγνητικά «κύματα», μια διαδιδόμενη δηλ. περιοδική παραμόρφωση του κενού χώρου, και το ηλεκτρόνιο, που του λείπουν τα χαρακτηριστικά ενός σωματίου όπως το ξέρουμε (συγκεκριμένο μέγεθος, σχήμα, θέση, ταχύτητα), είναι ξένα με την κοινή λογική και την καθημερινή εμπειρία.
