Τ.Ε.Ι. ΛΑΡΙΣΑΣ

ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΦΩΣ από το τον 4ο π.Χ. προς τον 20ο αιώνα

Κούζας ∆ηµήτριος

Μάθηµα: Φυσικές Αρχές Τεχνολογίας Επικοινωνιών Καθηγητής: Α. Ζάχος

ΛΑΡΙΣΑ

2006

2

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

Αριστοτέλης (384π.Χ. - 322π.Χ.) ....................3 Galileo Galilei (1564-1642) ..............................4 Isaac Newton (1642-1727) ............................... 5 Christian Huygens (1629-1695)....................... 7 Thomas Young (1773-1829).............................8 James Clerk Maxwell (1831-1879)................. 10 Max Planck (1858-1947) .................................11 Albert Einstein (1879-1955)........................... 12 Niels Bohr (1885 - 1962)................................ 15 Louis-Victor de Broglie (1892- 1987) .............17 Erwin Schrodinger (1887-1961).................... 19 Werner Karl Heisenberg (1901-1976)............ 21 Βιβλιογραφία .................................................23

3

Αριστοτέλης (384π.Χ. - 322π.Χ.)

Γεννήθηκε στα Στάγειρα της Μακεδονίας το 384 π.Χ. και ίδρυσε στην Αθήνα την περίφηµη Περιπατητική Σχολή. ∆ίδαξε εκεί και άφησε πίσω του ένα µνηµειώδες έργο από σηµειώσεις καθώς ασχολήθηκε µε πληθώρα αντικειµένων όπως: ιατρική, φυσιολογία, µετεωρολογία, φυσική, ψυχολογία, βιολογία, πολιτική θεωρία, φιλολογική κριτική κ.α.

Ο Αριστοτέλης ήταν µαθητής στην Ακαδηµία του Πλάτωνα και άσκησε κριτική στις

ιδέες του δασκάλου του, ενώ σε µεγάλο βαθµό τις ανατρέπει. Αποτελεί έτσι το δεύτερο κορυφαίο διανοητή της αρχαιότητας. Σύµφωνα µε τον Πλάτωνα το φως της ηµέρας συνενώνεται µε ένα απαλό φως από το εσωτερικό του µατιού και σχηµατίζει έτσι µια οµοιογενή φωτεινή ουσία. Η ουσία αυτή αποτελεί τη γέφυρα που επιτρέπει στις εικόνες του εξωτερικού κόσµου να φτάσουν στην ψυχή. Ο Αριστοτέλης όµως δέχεται την ανάγκη ύπαρξης ενός φυσικού µέσου ανάµεσα στο αντικείµενο και τον παρατηρητή. Το µέσο αυτό πρέπει να είναι διαφανές χωρίς να το βλέπουµε αλλά να µπορούµε να δούµε µέσω αυτού. Αυτό γεµίζει από εικόνες που µε κάποιο τρόπο µεταφέρονται στις αισθήσεις. Το φως είναι η ενέργεια αυτού του διαφανούς µέσου.

Ο Αριστοτέλης στα τέσσερα θεµελιώδη στοιχεία του κόσµου που είχε προτείνει ο Εµπεδοκλής, νερό, φωτιά, γη, αέρας προσθέτει ένα πέµπτο: την πεµπτουσία. Η πεµπτουσία είναι σταθερή και αµετάβλητη και συνδέει τα άλλα τέσσερα στοιχεία. Είναι φτιαγµένη από την ύλη των αστεριών. Είναι ο “αιθέρας” το καθαρό φως του ουρανού.

Μελέτησε επίσης το ουράνιο τόξο και παρατήρησε ότι σε µικρά σώµατα όπως στις σταγόνες τις δροσιάς δεν αντανακλώνται εικόνες των αντικειµένων παρά µόνο χρώµατα. Στην προσπάθεια ερµηνείας του φαινοµένου αναγνωρίζονται ίχνη µιας πρώτης επιστηµονικής προσπάθειας.

Εν κατακλείδι η άποψη του Αριστοτέλη ήταν ότι το φως αποτελείται από µικρά σωµατίδια που εκπέµπονται από φωτοβόλα σώµατα και ανιχνεύονται από το µάτι. Όσο και αν φαίνεται παράξενο η θεωρία αυτή µπορούσε ικανοποιητικά να εξηγήσει όλα τα φαινόµενα που έχουν σχέση µε τη “γεωµετρική οπτική”, αλλά και το φαινόµενο της διάθλασης και της ανάλυσης του φωτός από ένα πρίσµα στα επτά χρώµατα της ίριδας.

Ο Αριστοτέλης πέθανε το 322 π.Χ.

4

Galileo Galilei (1564-1642)

Γεννήθηκε στην Πίζα της Ιταλίας το 1564.Είχε µεγάλη έφεση στα µαθηµατικά και παρόλο που δεν είχε κάποιο πανεπιστηµιακό πτυχίο διορίσθηκε, πολύ νέος, καθηγητής στο Πανεπιστήµιο της Πίζας Αργότερα µετακινήθηκε στο κατά πολύ µεγαλύτερο Πανεπιστήµιο της Πάδοβα όπου και έκανε το σηµαντικότερο µέρος του έργου του. Παρακινούµενος από τις πρώτες του ανακαλύψεις άρχισε να ενστερνίζεται την θεωρία του Κοπέρνικου για το ηλιοκεντρικό

σύστηµα και έτσι ήρθε στην πρώτη του προστριβή µε την Εκκλησία. Μετά από προειδοποίηση του καρδινάλιου να αποκηρύξει επίσηµα τις αιρετικές απόψεις που ήθελαν την Γη να γυρίζει γύρω από τον Ήλιο ο Γαλιλαίος απείχε για ένα διάστηµα. Επανήλθε όµως µε το έργο του «∆ιάλογος για τα δύο κύρια συστήµατα του κόσµου» το 1632, το οποίο και προκάλεσε αντιδράσεις στους κόλπους της Εκκλησίας. Το βιβλίο απαγορεύεται και ο Γαλιλαίος καλείτε να αντιµετωπίσει την Ιερά Εξέταση. Εκεί υπό την απειλή του βασανισµού δηλώνει µεταµέλεια Τίθεται σε περιορισµό και θα περάσει τα τελευταία χρόνια της ζωής του στο σπίτι του στη Φλωρεντία όπου θα επιδοθεί σε σηµαντικό συγγραφικό έργο. Ο Γαλιλαίος πέθανε το 1642. Ο Γαλιλαίος συνδύασε την οξυδέρκεια της παρατήρησης µε την πειραµατική διερεύνηση, θεµελιώνοντας έτσι, χωρίς να το ξέρει την σύγχρονη πειραµατική φυσική. Ο Γαλιλαίος κατασκεύασε το πρώτο τηλεσκόπιο. Αν και ήταν µια σηµαντική εφαρµογή των ιδιοτήτων του φωτός, το ίδιο το φως µάλλον λίγο τον απασχολούσε. Ήταν περισσότερο πρακτικός παρά θεωρητικός. Έτσι κύριο µέληµά του ήταν το τηλεσκόπιο να λειτουργεί σωστά παρά να µπει στην διαδικασία βαθύτερης κατανόησης του πώς λειτουργεί. ∆ιαισθάνθηκε όµως γρήγορα ότι το φως µπορεί να γίνει πιο εύκολα κατανοητό όταν αντιµετωπιστεί σαν σωµατιδιακή και µηχανική οντότητα. Υπέθεσε λοιπόν ότι το φως είναι κάποιο σώµα σαν όλα τα άλλα, απλώς είναι µικρότερο, ίσως το µικρότερο. Κατάλαβε όµως ότι ακόµα και έτσι η πραγµατική φύση του φωτός µας διαφεύγει. Ο Γαλιλαίος δήλωσε λίγο πριν πεθάνει ότι όσον αφορά στην ουσία του φωτός ο ίδιος παραµένει στο σκοτάδι. Αν και στο έργο του ελάχιστα αναφέρεται στο φως, φαίνεται ξεκάθαρα η τάση το φως να αντιµετωπίζεται σαν σώµα υπαρκτό µε κάποιες ιδιότητες και όχι σαν κάτι το θεϊκό. Στο πρόσωπο του Γαλιλαίου µέσα στους αιώνες ενσαρκώθηκε η διαρκής πάλη του

5

επιστηµονικού πνεύµατος µε το θρησκευτικό δόγµα.. Το γεγονός ότι ο πάπας Ιωάννης Παύλος το 1992, τέσσερις αιώνες αργότερα από το θάνατο του Γαλιλαίου, αναίρεσε την καταδίκη που του είχε επιβληθεί από την Ιερά Εξέταση, δείχνει πόσο σηµαντική ήταν αυτή η πάλη. Έτσι σήµερα όχι µόνο θεωρείτε ως πρωτοπόρος της νεότερης επιστήµης αλλά έχει µείνει στην λαϊκή συνείδηση ως αυτός που αναφώνησε “και όµως η Γη κινείται” αµέσως µετά την καταδίκη του.

Isaac Newton (1642-1727)

Γεννήθηκε το 1642 και έχασε τους γονείς του πολύ νωρίς µε αποτέλεσµα να διαµορφώσει µια µοναχική προσωπικότητα και πολλές φορές περνούσε κρίσεις αποµονωτισµού και κακίας. Αυτά δεν τον εµπόδισαν όµως να αφήσει πίσω του ένα εκπληκτικό έργο σε φυσική, µαθηµατικά, και αστρονοµία. Το έργο του Νεύτωνα δεν ήταν απλώς µια προσπάθεια να παρουσιάσει κάποιους κανόνες που διέπουν την βαρύτητα

και την κίνηση των σωµάτων διατυπωµένους σε κοµψά µαθηµατικά. Ήταν η γενικότερη αντίληψη ότι ο κόσµος µας υποτάσσεται σε γενικούς νόµους. Το έργο του αποτελεί µια συνολική άποψη για τον κόσµο. Πριν ωστόσο να διατυπώσει τους νόµους της µηχανικής και της παγκοσµίου έλξεως που υπάρχουν σήµερα ακόµα και στα σχολικά βιβλία, ασχολήθηκε µε φως και τις ιδιότητες του. Όλες του τις µεγάλες ιδέες αλλά και την καινούρια µαθηµατική γλώσσα που θα τις εκφράσει ο Νεύτων τις συνέλαβε σε µια περίοδο πανούκλας που θέριζε το Λονδίνο το 1666. Έχοντας µόλις τελειώσει τις σπουδές του αποµονώθηκε σπίτι του και δούλευε. Το 1669 σε ηλικία µόλις 27 ετών εκλέγεται καθηγητής µαθηµατικών στο Πανεπιστήµιο του Κέιµπριτζ, (σήµερα την έδρα του Νεύτωνα την κατέχει ο αστροφυσικός Stephen Hawking). Κατά τα χρόνια αυτά ο Νεύτων πειραµατίστηκε µε φακούς και πρίσµατα και ως καθηγητής στο πανεπιστήµιο διδάσκει τις ιδέες του γύρω από τα χρώµατα του φωτός. Τον δρόµο προς την αναγνώριση και τη δόξα θα του ανοίξει η κατασκευή του πρώτου «κατοπτρικού» τηλεσκοπίου που χρησιµοποιούσε παραβολικά κάτοπτρα αντί φακών διορθώνοντας έτσι πολλές ατέλειες της ιστορικής εφεύρεσης του Γαλιλαίου. Κίνησε το ενδιαφέρον της ισχυρής «Βασιλικής Εταιρείας» του Λονδίνου που τον εξέλεξε

6

µέλος της. Εκεί παρουσίασε και την πρώτη του εργασία που αφορούσε τις αντιλήψεις του περί χρωµάτων. Ανατρέποντας τις µέχρι τότε θεωρίες που θέλουν το φως λευκό στην αρχική του µορφή και αποκτά χρώµα µε την τροποποίηση του, ο Νεύτων µίλησε για την ανάλυση του φωτός στα επιµέρους συστατικά του. Υποστηρίζει δηλαδή ότι το φως δεν είναι απλό και οµογενές αλλά σύνθετο και ετερογενές.

Οι απόψεις του για το φως διαδόθηκαν ευρύτατα µε τις διαλέξεις του στην Βασιλική Εταιρία. Οι απόψεις αυτές περιέχονται στο έργο του µε τίτλο «Οπτική» και εκεί παρουσιάζει τις εργασίες και τα πειράµατα για τα χρώµατα του φωτός. ∆ιακρίνουµε στο έργο αυτό µια κεντρική αντίληψη που θέλει το φως να αποτελείται από µικρά σωµατίδια διαφορετικού µεγέθους. Τα χρώµατα αποδίδονται στο διαφορετικό µέγεθος των σωµατιδίων του φωτός και στην διαφορά της αισθήσεως που προκαλούν στο µάτι. Έτσι υποθέτει ότι τα σωµατίδια που αντιστοιχούν στο κόκκινο χρώµα είναι τα πιο µεγάλα, µικρότερα τα σωµατίδια του κίτρινου χρώµατος και στη συνέχεια του πράσινου και του µπλε. Μικρότερα όλων τα σωµατίδια που αντιστοιχούν στο άλλο µέρος του χρωµατικού φάσµατος δηλαδή το ιώδες.

Ο Νεύτων µελέτησε διεξοδικά το φαινόµενο της ανάλυσης του φωτός, ερµηνεύει την ανάκλαση και τη διάθλαση του φωτός. Παρατήρησε επίσης το φαινόµενο της συµβολής αλλά δεν µπόρεσε να το εξηγήσει µε βάση τη σωµατιδιακή θεωρία του. ∆εν δέχτηκε όµως ότι υπήρχε «κενό» στην θεωρία του αλλά το απέδωσε σε δική του αδυναµία να σκεφτεί τη σωστή ερµηνεία. Οι απόψεις του αυτές όπως ήταν αναµενόµενο έτυχαν σφοδρής κριτικής από άλλους επιστήµονες της εποχής. Ο Νεύτωνας αποµονώνεται για καιρό και δεν σταµατά να επιδιώκει την ταπείνωση των επικριτών του. Ο Νεύτωνας δεν δέχεται την κριτική και είναι µνησίκακος. Μια από τις ιστορικές διαµάχες του αφορά την πατρότητα του διαφορικού λογισµού. Την πατρότητα αυτή την διεκδικούσε και ο Γερµανός µαθηµατικός Gottfried Leibnitz. Όπως είναι σήµερα γνωστό παρόλο που ο Νεύτων είχε ανακαλύψει τον λογισµό αρκετά χρόνια νωρίτερα, ο Leibnitz δηµοσίευσε πρώτος και ανεξάρτητα την σχετική εργασία. Τις διαφορές των δύο επιστηµόνων ανέλαβε να λύσει η «Βασιλική Εταιρία», µε πρόεδρο τον ίδιο τον Νεύτωνα ο οποίος και όρισε µια επιτροπή από φίλους του. Στο έργο του «Principia»(1687) (µια από τις κορυφαίες στιγµές στην ιστορία της επιστήµης) ο Νεύτωνας προσπαθεί να ενοποιήσει µε βάση τους νόµους της µηχανικής και της παγκοσµίου έλξεως, την εικόνα του κόσµου, από την κλίµακα των

7

ουράνιων σωµάτων µέχρι τα µικρότερα σωµατίδια της ύλης. Στις «Αρχές» περιλαµβάνεται η διατύπωση του νόµου της διάθλασης µε βάση τη σωµατιδιακή φύση του φωτός. Μέσα σ’αυτή του την προσπάθεια η σωµατιδιακή φύση του φωτός ήταν µάλλον µια υποσηµείωση για τον Νεύτωνα. Την τελευταία εικοσαετία της ζωής του ο Νεύτωνας σταµάτησε να ασχολείται µε την επιστήµη και έγινε διευθυντής του Αγγλικού Νοµισµατοκοπείου. Ο σερ Ισαάκ Νεύτων (ο πρώτος επιστήµονας που πήρε τον τίτλο αυτό) πέθανε το 1727.

Christian Huygens (1629-1695)

Γεννήθηκε το 1629 (13 χρόνια πριν τον Νεύτωνα) και ήταν ο κύριος «αντίπαλός» του καθώς ήταν υποστηρικτής της κυµατικής φύσης του φωτός. Από µικρή ηλικία ασχολήθηκε µε την κατασκευή φακών και τηλεσκοπίων, µε τα οποία είχε κάνει σηµαντικές αστρονοµικές παρατηρήσεις.

Από την εµπειρία που απέκτησε από αυτή του την ενασχόληση διαπίστωσε ότι µπορούσε να ερµηνεύσει όλα τα φαινόµενα της Γεωµετρικής Οπτικής µε τη βοήθεια του

κυµατικού µοντέλου του φωτός και ενός αξιώµατος, της αρχής της δευτερογενούς εκποµπής. Σύµφωνα µε αυτή την αρχή το φως είναι µια κύµανση, η οποία διαδίδεται στο χώρο από σηµείο σε σηµείο. Όταν το κύµα αυτό διέρχεται από ένα σηµείο του χώρου το σηµείο αυτό γίνεται το επίκεντρο µια δευτερογενούς εκποµπής κυµάτων. Με βάση αυτό το µοντέλο ο Χόιχενς µπορούσε να ερµηνεύσει τα φαινόµενα της ανάκλασης και της διάθλασης. Κάτω όµως από την βαριά σκιά του Νεύτωνα οι ιδέες του παρέµειναν στο περιθώριο. Έτσι η κυµατική του θεωρία δεν θεωρήθηκε «καλύτερη» από την σωµατιδιακή του Νεύτωνα.

Η κυµατική θεωρία όµως του Χόιχενς µπορούσε να ερµηνεύσει και άλλα φαινόµενα όπως για παράδειγµα το φαινόµενο της διπλής διάθλασης κατά το οποίο το φως διερχόµενο από ορισµένους κρυστάλλους δηµιουργεί δύο είδωλα. Ο Χόιχενς συνειδητοποίησε πως µπορεί να ερµηνευθεί το φαινόµενο µε την κυµατική θεωρία του αν υπέθετε ότι η ταχύτητα των κυµάτων φωτός ήταν διαφορετική σε κάθε διεύθυνση µε αποτέλεσµα οι επιφάνειες των δευτερογενών κυµάτων να µην είναι σφαιρικές άλλα ελλειψοειδείς.

8

Στην πραγµατεία του για το φως που δηµοσιεύτηκε το 1690 ο Χόιχενς παροµοιάζει τον τρόπο που διαδίδεται το φως µε την διάδοση του ήχου. Αυτό ήταν και το πρόβληµα της κυµατικής του θεωρίας καθώς όχι µόνο δεν είχε ξεκαθαρίσει ποιό είναι το µέσο που ταλαντώνεται κατά τη διάδοση των κυµάτων φωτός αλλά ούτε µπόρεσε να ερµηνεύσει το φαινόµενο της συµβολής. Γι’αυτό το λόγο η θεωρία του δεν µπόρεσε να υιοθετηθεί οριστικά αντί αυτής του Νεύτωνα.

Ο Χόιχενς πέθανε το 1695

Thomas Young (1773-1829)

Γεννήθηκε το 1773 και από µικρός είχε αξιοσηµείωτες επιδόσεις στα προχωρηµένα µαθηµατικά,τις κλασικές σπουδές, την φυσική φιλοσοφία ενώ από 16 ετών γνώριζε ήδη 12 γλώσσες. Ο Γιάγκ δεν ήταν ένας συνηθισµένος επιστήµονας. Ήταν οικονοµικά ανεξάρτητος καθώς ήταν κληρονόµος µια πολύ µεγάλης περιουσίας και έβλεπε την επιστήµη περισσότερο σαν χόµπι παρά σαν

βιοποριστική απασχόληση. Με τη Φυσική ασχολήθηκε µάλλον περιφερειακά καθώς αποφάσισε να µελετήσει την φυσιολογία της όρασης. Επίσηµα είχε σπουδάσει ιατρική. Αποφάσισε να ασχοληθεί µε το φως, ένα θέµα που φαινόταν ότι είχε κλείσει εδώ και έναν αιώνα. Με τα πειράµατά του το 1802 απέδειξε αδιαµφισβήτητα την κυµατική φύση του φωτός. Το γνωστό πείραµά των δύο οπών, κατά το οποίο το φως διέρχεται από δύο οπές και συµβάλλει σε µια οθόνη απέναντι απ’αυτές. Με τη βοήθεια της Θεωρία του Χόιχεν υπολόγισε την απόσταση µεταξύ δύο κροσσών συµβολής ως συνάρτηση της απόστασης των δύο οπών και της απόστασης της οθόνης από αυτές. Έτσι κατόρθωσε να µετρήσει το µήκος κύµατος κάθε χρώµατος και βρήκε 0,7µm για το κόκκινο και 0.4µm για το ιώδες. Ο Γιάγκ ξεκαθάρισε την έννοια της φάσης που ήταν απαραίτητη γι’ αυτό το πείραµα καθώς ως πρότυπο των φωτεινών κυµάνσεων δεν χρησιµοποίησε µόνο τα ηχητικά κύµατα που είναι διαµήκη αλλά και τα κύµατα στην επιφάνεια ενός υγρού που είναι εγκάρσια. Η συµπεριφορά λοιπόν αυτή του φωτός, δηλαδή να συµβάλλει και σε περιπτώσεις να αυτοαναιρείται ήταν αδύνατον να ερµηνευθεί από την σωµατιδιακή θεωρία του Νεύτωνα.

9

Ο Γιάγκ µε τη βοήθεια της θεωρίας του µπόρεσε να ερµηνεύσει το φαινόµενο των χρωµάτων, κάτι που δεν είχε κάνει ο Χόιχενς, και πρότεινε την θεωρία του τριχρωµατισµού, ότι δηλαδή η αντίληψη τριών και µόνο χρωµάτων αρκεί για να ερµηνεύσει την τεράστια ποικιλία χρωµατισµών που αντιλαµβάνεται ο άνθρωπος.

Ο Γιάγκ ήταν ο από του τελευταίους µεγάλους ερασιτέχνες επιστήµονες. Πέρα από την Ιατρική και την Φυσική είχε πάρα πολλά άλλα ενδιαφέροντα όπως η Αιγυπτιολογία, η Φιλολογία, η Φυσική, η Αστρονοµία, η Ναυπηγική. Πέθανε το 1829

Η µαθηµατική θεµελίωση της κυµατικής Οπτικής έγινε από το Γάλλο φυσικό Φρενέλ (Augustin Jean Fresnel 1788-1827). Χρησιµοποιώντας την υπόθεση ότι το φως αποτελείται από εγκάρσιες ταλαντώσεις, υπολόγισε την ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας ως συνάρτηση της θέσης παρατήρησης πίσω από ένα κυκλικό δίσκο. Η θεωρία του προέβλεπε ότι η µορφή της σκιάς που εµφανίζεται σε ένα πέτασµα πίσω από

τον κυκλικό δίσκο δεν είναι πάντα εντελώς σκοτεινή. Σε ορισµένες περιπτώσεις µάλιστα που εξαρτώνται από την απόσταση του πετάσµατος από τη φωτεινή πηγή και τη διάµετρο του δίσκου, στο κέντρο της σκιάς θα έπρεπε να εµφανίζεται µια φωτεινή κηλίδα. Όλα αυτά ήταν αδύνατον να ερµηνευθούν από την σωµατιδιακή θεωρία. Ο Φρενέλ υπέβαλλε την εργασία του στην Γαλλική Ακαδηµία όπου και τελικά έγινε το πείραµα το οποίο έδωσε ακριβώς το αποτέλεσµα που προέβλεπε η θεωρία του. Ο Φρενέλ διαµόρφωσε ένα πλήρες µαθηµατικό µοντέλο για την κυµατική θεωρία, έτσι επικράτησε οριστικά η θεωρία αυτή.

10

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Σε ηλικία 15 ετών ήταν ήδη φοιτητής στο Πανεπιστήµιο του Εδιµβούργου όπου σπούδασε φυσική, µαθηµατικά και φιλοσοφία. Το 1856 έγινε καθηγητής και είχε µια περίλαµπρη σταδιοδροµία. Ο Μάξγουελ υπήρξε ο πατέρας της ηλεκτροµαγνητικής θεωρίας. Μεταξύ άλλων όµως διαµόρφωσε την κινητική θεωρία των αερίων,µελέτησε τα σύνθετα χρώµατα και ερµήνευσε τους δακτύλιους του Κρόνου.

Το 1864 δηµοσίευσε µια εργασία µε τίτλο “Μια δυναµική θεωρία του ηλεκτροµαγνητισµού” που αποτελεί ορόσηµο στην ιστορία της επιστήµης. Ο Μάξγουελ κατάφερε µέσα σε 4 κοµψές εξισώσεις να συνοψίσει την γνώση που είχε αποκτηθεί γύρω από τον ηλεκτρισµό και τον µαγνητισµό και να δώσει την θεωρητική ερµηνεία των πειραµάτων που είχαν παρατηρηθεί ως τότε. Οι εξισώσεις του κατάφεραν να ενοποιήσουν τον ηλεκτρισµό µε τον µαγνητισµό. Έδειξε ότι όταν µαγνητικό πεδίο µεταβάλλεται, έχει ως αποτέλεσµα την παραγωγή ηλεκτρικού πεδίου και αντίστροφα. Το ερώτηµα που προέκυψε ήταν τι ταχύτητα έχουν τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα καθώς ταξιδεύουν στο χώρο. Με βάση ηλεκτρικές και µαγνητικές µετρήσεις που υπήρχαν ο Μάξγουελ έκανε τους θεωρητικούς υπολογισµούς και κατέληξε σε κάτι το συγκλονιστικό: η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων ήταν ίδια µε την ταχύτητα του φωτός. Το φως δηλαδή είναι και αυτό ένα ηλεκτροµαγνητικό κύµα. Από αυτή τη στιγµή ο ηλεκτρισµός, ο µαγνητισµός και το φως συνδέονται άρρηκτα. Το ερώτηµα που βασάνιζε τους επιστήµονες από τι συνίστανται τα φωτεινά κύµατα έβρισκε επιτέλους απάντηση: από ηλεκτρικά και µαγνητικά πεδία. Ο Μάξγουελ δεν µπόρεσε να ξεφύγει όµως από την αποδοχή που είχε εκείνη την εποχή η άπόψη ότι για την διάδοση των φωτεινών κυµάτων απαραίτητη είναι η ύπαρξη του αιθέρα που διαποτίζει τα πάντα. Ο Μάξγουελ πίστευε στην ύπαρξη του αιθέρα αλλά δεν τον χρησιµοποίησε στους υπολογισµούς του ούτε χρειάστηκε την παρουσία του στις εξισώσεις του.

∆υστυχώς όµως Μάξγουελ (πέθανε το 1879) δεν πρόλαβε να δει την πειραµατική επιβεβαίωση της θεωρίας του από τον Χερτς (Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894). Ο Χερτς το 1885 κατασκεύασε ένα ηλεκτρικό ταλαντωτή και διαπίστωσε πειραµατικά ότι οι ηλεκτρικές ταλαντώσεις παρουσιάζουν ακριβώς

11

την ίδια συµπεριφορά µε το φως: ανακλώνται, διαθλώνται και παρουσιάζουν φαινόµενα συµβολής, διαδίδονται επίσης µε την ίδια ταχύτητα. Η ηλεκτροµαγνητική φύση του φωτός ήταν πλέον γεγονός.

Max Planck (1858-1947)

Γεννήθηκε στο Κίελο της Γερµανίας το 1858. Ο πατέρας του ήταν καθηγητής Συνταγµατικού ∆ικαίου και έτσι έζησε από νωρίς σε ακαδηµαϊκό περιβάλλον. Σπούδασε φυσική στο Μόναχο και έγινε καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήµιο του Βερολίνου. Ο Πλανκ στη δηµοσίευση του που παρουσιάστηκε στη Γερµανική Ένωση

Φυσικών στις 14 ∆εκεµβρίου το 1900 υποστήριξε ότι το φως, και γενικότερα η ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία, δεν εκπέµπεται υπό συνεχή µορφή αλλά σε «πακέτα», τα κβάντα.

Η συνολική ενέργεια λοιπόν δεν µπορεί παρά να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του κβάντου ενέργειας. Η υπόθεση αυτή αποδείχθηκε επιτυχής στην αντιµετώπιση των αδιεξόδων στα οποία είχε οδηγηθεί η κλασική θεωρία.

Η κβάντωση ενός µεγέθους δεν µας είναι άγνωστη υπόθεση. Για παράδειγµα το ηλεκτρικό φορτίο είναι κβαντισµένο µέγεθος µε κβάντο το φορτίο του ηλεκτρονίου. Οποιαδήποτε ποσότητα φορτίου είναι πάντα ακέραιο πολλαπλάσιο του φορτίου του ηλεκτρονίου. Η υπόθεση του Πλανκ ήταν το θεµέλιο µια νέας θεωρίας της κβαντικής θεωρίας. Η κβαντική θεωρία ερµηνεύει φαινόµενα σε ατοµικό επίπεδο τα οποία αδυνατεί να ερµηνεύσει η κλασική θεωρία. Όταν εξετάζουµε φαινόµενα του µακρόκοσµου η κβάντωση των µεγεθών γίνεται δυσδιάκριτη και τα συµπεράσµατα της κβαντικής θεωρίας ταυτίζονται µε αυτά της κλασικής.

Το ενεργειακό περιεχόµενο των κβάντα εξαρτάται από τη συχνότητα της ακτινοβολίας σύµφωνα µε τη σχέση E = hf Η σταθερά h προέρχεται από τα µαθηµατικά και εκφράζει µια απειροστή διαφορά. Η αριθµητική της τιµή είναι πολύ µικρή: αν γραφεί σαν δεκαδικός αριθµός έχει περισσότερα από τριάντα µηδενικά µετά την υποδιαστολή. Είναι µια από τις θεµελιώδεις σταθερές που αποκαλύπτουν και ρυθµίζουν την κρυφή δοµή του κόσµου.

12

Ο Πλανκ δεν είχε κάποιο ιδιαίτερο θεωρητικό λόγο να πιστεύει ότι η ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία εκπέµπεται σε «πακέτα», τα κβάντα, απλά η συνάρτηση που είχε επινοήσει µπορούσε να ερµηνεύσει την πειραµατικά παρατηρούµενη κατανοµή της ακτινοβολίας του µέλανος σώµατος. Σύντοµα όµως, το 1905, ο Αϊνστάιν, χρησιµοποιώντας την έννοια των κβάντα, µπόρεσε να ερµηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο. Και πάλι όµως η πλειονότητα των φυσικών της εποχής δυσκολευόταν να αποδεχθεί µια νέα ανατροπή της Οπτικής. Το 1918 απονεµήθηκε στον Πλανκ το βραβείο Νόµπελ Φυσικής «ως αναγνώριση των υπηρεσιών που προσέφερε στην πρόοδο της φυσικής, και ιδιαίτερα για την ανακάλυψη των κβάντα ενέργειας». Κατά τη διάρκεια των δύο Παγκοσµίων Πολέµων η ζωή του σηµαδεύτηκε από το θάνατο των τεσσάρων παιδιών του. Το σπίτι του ισοπεδώθηκε από βοµβαρδισµούς και έχασε τα πολύτιµα επιστηµονικά του αρχεία. Παρόλο που ήταν αντίθετος στο ναζιστικό καθεστώς έµεινε στην Γερµανία, κάτι που του στοίχισε διώξεις ως το τέλος του Β’ Παγκοσµίου Πολέµου. Ο Πλανκ πέθανε το 1947.

Albert Einstein (1879-1955)

Γεννήθηκε στις 14 Μαρτίου 1879 στην πόλη Ulm της νότιας Γερµανίας. Οι γονείς του µετακόµισαν για επαγγελµατικούς λόγους στο Μόναχο και από εκεί σύντοµα στο Μιλάνο για καλύτερες επαγγελµατικές προοπτικές. Ο Αϊνστάιν έµεινε οικότροφος σε σχολείο του Μονάχου. Στα 15 χρόνια του σταµάτησε το σχολείο και αναχώρησε στο Μιλάνο για να συναντήσει τους γονείς του. Μετά από 1-2 χρόνια απραξίας σκέφτηκε να δώσει εξετάσεις στο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης, ως αυτοδίδακτος χωρίς

απολυτήριο Λυκείου. Η προσπάθεια αυτή απέτυχε και κάποιος καθηγητής τού συνέστησε να παρακολουθήσει µαθήµατα Λυκείου στο Aarau. Τελικά, µετά την ολοκλήρωση των σχολικών µαθηµάτων, γράφτηκε το 1896 στο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης για να σπουδάσει εκπαιδευτικός τεχνικής επαγγελµατικής σχολής µε φυσικοµαθηµατική κατεύθυνση.

13

Ένας φίλος τον συνέστησε κάποια στιγµή στο διευθυντή του ελβετικού γραφείου ευρεσιτεχνιών στη Βέρνη. ∆ουλειά του ήταν να ετοιµάζει τα έγγραφα αναγνωρίσεως των ευρεσιτεχνιών. Έχοντας εξασφαλίσει τα προς τα ζην ο Αϊνστάιν παντρεύτηκε το 1903 τη συµφοιτήτρια του Μίλεβα Μάριτς. Το 1905 δηµοσίευσε µία εργασία µε τίτλο «Μια ευρηµατική θεώρηση που αφορά στην παραγωγή και τις µεταµορφώσεις του φωτός», µε την οποία επεκτείνει την ανακάλυψη του Πλανκ από το έτος 1900. Ο Αϊνστάιν θεώρησε ότι κάθε µορφής ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία αποτελείται από κβάντα. Αυτά τα µεµονωµένα «ποσά ενέργειας», θα ονοµαστούν αργότερα φωτόνια. Μόνο η υπόθεση αυτή µπορούσε να εξηγήσει ικανοποιητικά το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο όπως ονοµάστηκε το φαινόµενο του να εκπέµπονται ηλεκτρόνια όταν το φως προσπίπτει σε ένα µέταλλο, και ήταν γνωστό από τα τέλη του 19ου αιώνα. Έτσι προσδόθηκαν στο φως και ιδιότητες σωµατιδιακής συµπεριφοράς. Ο Αϊνστάιν χρησιµοποίησε τον γνωστό τύπο του Πλανκ για να υπολογίσει την ενέργεια κάθε φωτονίου. Την συχνότητα δηλαδή της ακτινοβολίας πολλαπλασιασµένη µε την σταθερά του Πλανκ h. Ακόµα όµως και µετά από αυτή την ερµηνεία οι φυσικοί δυσκολευόταν να αποδεχθούν µια νέα τροπή της Οπτικής. Ας θυµηθούµε ότι µέχρι τον Νεύτωνα το φως θεωρείτο ότι αποτελούνταν από σωµατίδια. Χρειάστηκαν 200 χρόνια και η σκληρή δουλειά των Χόιχενς, Γιάγκ και Φρενέλ για να γίνει αποδεκτό ότι το φως έχει κυµατική υφή, και µόλις 70 χρόνια µετά το θάνατο του Φρενέλ έρχεται η υπόθεση των κβάντα για να φέρει την θεωρία του φωτός από εκεί που ξεκίνησε. Νέα πειράµατα όµως (µεταξύ των οποίων και αυτό του Compton to 1923),µε ακτίνες Χ, που είχε ανακαλύψει νωρίτερα ο Roentgen το 1895, επιβεβαιώσαν το αναγκαίο της ύπαρξης των φωτονίων. ∆ιαπιστώθηκε ότι όταν ακτίνες Χ (φωτόνια δηλαδή υψηλής ενέργειας) µπορούν να συγκρούονται ελαστικά µε ηλεκτρόνια. Έτσι ελάχιστοι φυσικοί αµφέβαλλαν πλέον για την ύπαρξη σωµατιδίων φωτός. Παρόλα αυτά το φως δεν έπαψε να έχει και κυµατική υφή. Έτσι το φωτόνιο είχε άλλοτε τις ιδιότητες ενός σωµατιδίου και άλλοτε τις ιδιότητες κύµατος. Μόλις είχε κάνει την εµφάνισή της η «δυαδικότητα» σωµατιδίων και κυµάτων.

Τυπικά γι' αυτή την εργασία του πάνω στην ερµηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινοµένου έλαβε ο Αϊνστάιν µετά από 16 χρόνια από τη δηµοσίευσή της το βραβείο Νόµπελ.

14

Και πάλι το έτος 1905 δηµοσιεύτηκε για πρώτη φορά η «Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας». Αυτή η εργασία προκάλεσε τεράστια εντύπωση στον επιστηµονικό κόσµο! Έκτοτε άρχισαν να επισκέπτονται τη Βέρνη σηµαντικοί επιστήµονες από όλο τον κόσµο για να γνωρίσουν τον παράξενο δηµόσιο υπάλληλο. Η φήµη του Αϊνστάιν προέκυψε όµως κυρίως από το γεγονός ότι ασχολήθηκαν µε τις εργασίες του κορυφαίοι επιστήµονες. Το 1911 έγινε ο Αϊνστάιν καθηγητής στο γερµανικό Πανεπιστήµιο της Πράγας και µετά στο Βερολίνο, όπου παράλληλα µε τα διδακτικά καθήκοντα ολοκλήρωσε και τη «Γενική Θεωρία της Σχετικότητας».

Το 1933, όταν οι ναζί είχαν ήδη εκλεγεί στην κυβέρνηση της Γερµανίας, άρχισαν να συκοφαντούν τον Αϊνστάιν ως πράκτορα των Αµερικανών και των Αγγλογάλλων, ενοχληµένοι από το γεγονός ότι ως σηµαντικότερος εκπρόσωπος της γερµανικής επιστήµης φαινόταν εκείνη την εποχή ένας εβραίος. Αυτό είχε ως αποτέλεσµα να αναγκαστεί να αποχωρήσει ο µεγάλος ερευνητής από τη Γερµανική Ακαδηµία Επιστηµών. Εγκατέλειψε επίσης της Γερµανία, αυτή τη φορά οριστικά, µε προορισµό την Αµερική. Με την εγκατάσταση του Αϊνστάιν στο Princeton, αρχίζει µια νέα περίοδος της ζωής του. Ο Αϊνστάιν πείστηκε από συναδέλφους του επιστήµονες να συµβάλει στον αγώνα για την κατασκευή της ατοµικής βόµβας, φοβούµενος ότι οι ναζί θα κυρίευαν όλο τον πολιτισµένο κόσµο, αν προλάβαιναν αυτοί να αποκτήσουν το καταστροφικό όπλο. Για το σκοπό αυτό έστειλε µία επιστολή στον πρόεδρο Ρούσβελτ και του παρουσίαζε τις δυνατότητες της ατοµικής βόµβας και τους κινδύνους που δηµιουργούσε η κατοχή της.

Στη συνέχεια και µέχρι τέλος της ζωής του δραστηριοποιήθηκε ο Αϊνστάιν στις κινητοποιήσεις για αφοπλισµό, αφού είχε καταστεί και η Σοβιετική Ένωση πυρηνική δύναµη και είχε αρχίσει ο «ψυχρός πόλεµος», υπογράφοντας συχνά διακηρύξεις µε άλλους επιστήµονες για την ειρήνη και τον αφοπλισµό. Πέθανε το 1955 στο Princeton.

15

Niels Bohr (1885 - 1962)

Γεννήθηκε το 1885 και µεγάλωσε σε ακαδηµαϊκό περιβάλλον. σπούδασε στο Πανεπιστήµιο της Κοπεγχάγης, όπου, εκτός από εξαιρετικός φοιτητής, ήταν και πολύ καλός παίκτης στην ποδοσφαιρική οµάδα του πανεπιστηµίου. Το 1911, αφού πήρε το διδακτορικό του δίπλωµα, ταξίδεψε στην Αγγλία, όπου δούλεψε µε τον J.J.Thomson -που µε τις µετρήσεις του ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο, απέδειξε ότι είναι σωµατίδιο και τιµήθηκε γι’ αυτό το 1906 µε το βραβείο Νόµπελ- και τον

Ράδερφορντ -που ανακάλυψε το άτοµο και τιµήθηκε µε το βραβείο Νόµπελ της Χηµείας, το έτος 1908 για τις εργασίες του στην ακτινοβολία των ραδιενεργών υλικών-. Τον καιρό που δούλευε µε τον Ράδερφορντ σκέφθηκε να συνδυάσει την κλασική εικόνα του πλανητικού του µοντέλου, για τη δοµή του ατόµου, µε τη Θεωρία των Κβάντα του Πλανκ. Στη θεωρία του υπέθεσε ότι το ηλεκτρόνιο µπορεί να ακολουθεί µόνον ορισµένες τροχιές, και όχι οποιεσδήποτε, και ακτινοβολεί όχι συνεχώς, όπως ήταν η ως τότε κρατούσα άποψη, αλλά µόνο όταν αλλάζει τροχιά. Με τη θεωρία αυτή κατόρθωσε να ερµηνεύσει όλες τις φασµατικές γραµµές που εκπέµπει το άτοµο του υδρογόνου. Το 1916 επέστρεψε σαν καθηγητής στην Κοπεγχάγη αλλά ακόµα κεντρικό άξονα στη σκέψη του αποτελούσε η φύση του φωτός. ∆εν µπορούσε να δεχθεί την σωµατιδιακή υπόσταση του φωτός που είχε έρθει εκ νέου στο προσκήνιο µε τα φωτόνια του Αϊνστάιν.

Από το 1913 είχε διατυπώσει τις βασικές αρχές της δικής του εκδοχής για το άτοµο και τους νόµους του. Οι κβαντισµένες τροχιές των ηλεκτρονίων ήταν το πρώτο βήµα που είχε κάνει και παραβίαζε τα κλασικά πλαίσια. Το δεύτερο, αν και συνέπεια του πρώτου ήταν ακόµα πιο τολµηρό. Ένα ηλεκτρόνιο απορροφώντας ακριβώς την ενέργεια που χρειαζόταν ήταν δυνατόν να κάνει ένα άλµα προς µια ανώτερη τροχιά που διέθετε µια κενή θέση ή αντίστροφα να µεταπέσει σε κατώτερη τροχιά εκπέµποντας υπό µορφή ακτινοβολίας την συγκεκριµένη διαφορά ενέργειας των δύο σταθµών. Αν και τα κβαντικά άλµατα έφεραν αµηχανία µάλλον στους φυσικούς παρόλα αυτά έφερναν ικανοποιητικά πειραµατικά αποτελέσµατα. Ο Μπορ µπόρεσε να εξηγήσει τις φασµατικές γραµµές του ατόµου του υδρογόνου µε βάση τη θεωρία του.

16

Το 1914 η θεωρία του Μπορ αποδείχθηκε πειραµατικά από τους J.Franck και G.Hertz που επιβεβαίωσαν την ύπαρξη των σταθερών ενεργειακών καταστάσεων.

Για τις έρευνές του στη δοµή των ατόµων και τις ακτινοβολίες που εκπέµπουν ο Μπορ τιµήθηκε το 1922 µε το βραβείο Νόµπελ Φυσικής. Το 1920 ιδρύεται στην Κοπεγχάγη το «Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής» το οποίο χρηµατοδοτούσε η ζυθοποιία Κάρλσµπεργκ. Ο Μπορ ήταν διευθυντής του Ινστιτούτου µέχρι το 1930 και εκεί απέδειξε την ικανότητά του να προσελκύσει επιφανείς επιστήµονες αλλά και να αναδεικνύει νέους. Γρήγορα το Ινστιτούτο απέκτησε διεθνή φήµη. Η ερµηνεία της Κβαντοµηχανικής που εισηγήθηκε ο Μπορ έµεινε γνωστή ως «ερµηνεία της Κοπεγχάγης». Βασικές αρχές της ήταν η αρχή της συµπληρωµατικότητας και η αρχή της απροσδιοριστίας του Χάιζενµπεργκ. Την αρχή της συµπληρωµατικότητας εισηγήθηκε ο ίδιος ο Μπορ το 1927 και σύµφωνα µε αυτή η δυϊκή φύση σωµατιδίου - κύµατος συνιστά µια ολότητα που έχει συµπληρωµατικές ιδιότητες. Έτσι στο φως οι κυµατικές και οι σωµατιδιακές ιδιότητες συµπληρώνουν η µία την άλλη ή αλληλοαποκλείονται και οι δύο ωστόσο είναι απαραίτητες για την κατανόησή του. Κατά τις δεκαετίες του ‘20 και ’30 έµεινε ιστορική η διαµάχη του µε τον Αϊνστάιν, ο οποίος δεν µπορούσε να δεχθεί την πιθανοκρατική φύση της Κβαντοµηχανικής. Το 1943 ο Μπορ εγκατέλειψε τη ∆ανία, επειδή φοβόταν ότι επρόκειτο να συλληφθεί από τους Γερµανούς, και κατέληξε στην Αγγλία. Όπως και ο Αϊνστάιν, τα τελευταία χρόνια της ζωής του εργάστηκε µε πάθος για την ειρήνη. Το 1950 µε ανοικτή επιστολή στα Ηνωµένα Έθνη ζήτησε την ελεύθερη διακίνηση των επιστηµονικών πληροφοριών και το 1955 οργάνωσε το πρώτο Συνέδριο Ειρήνης στη Γενεύη. Πέθανε το 1962 στην Κοπεγχάγη.

17

Louis-Victor de Broglie (1892- 1987)

Γεννήθηκε στη Βόρεια Γαλλία το 1892. Είχε τέσσερα αδέλφια και ήταν γόνος ευγενούς οικογένειας κι από τη γέννησή του έφερε τον τίτλο του πρίγκιπα.

Αρχικά δεν έδειχνε καµία τάση προς τις θετικές επιστήµες και έτσι το 1909 αρχίζει τις σπουδές του πάνω στην Ιστορία στο Πανεπιστήµιο της Σορβόνης, κάτι που δεν κράτησε βέβαια παραπάνω από ένα χρόνο. Προφανώς, επηρεασµένος από την ερευνητική δραστηριότητα του µεγαλύτερού

του αδερφού που ήταν φυσικός έκανε µια απότοµη στροφή προς την επιστήµη της Φυσικής, όπου και πήρε το πτυχίο του 4 χρόνια αργότερα.

Κατά τη διάρκεια του Α’ Παγκοσµίου Πολέµου υπηρέτησε στο Ραδιοφωνικό Σταθµό του Πύργου του Άιφελ και η εµπειρία του µε τα ραδιοκύµατα έστρεψε το ενδιαφέρον του προς τη φυσική επιστήµη. Προφανώς, επηρεασµένος και από την ερευνητική δραστηριότητα του µεγαλύτερού του αδερφού που ήταν φυσικός έκανε µια απότοµη στροφή προς την επιστήµη της Φυσικής, όπου και πήρε το πτυχίο του 4 χρόνια αργότερα.

Το θέµα της διδακτορικής διατριβής του, που ξεκίνησε το 1923, µε τίτλο "Έρευνες πάνω στη θεωρία των κβάντα", τον έκανε να σκέπτεται πάνω στη θεωρία των κυµάτων των ηλεκτρονίων, βασισµένος στην εργασία του Einstein και του Planck. Ο Einstein είχε διατυπώσει λίγα χρόνια νωρίτερα την άποψη πως το φως, που είναι ένα κύµα, µπορεί να συµπεριφέρεται σαν να αποτελείται από σωµατίδια. Η θεωρία των Einstein-Planck τον προσανατόλισε στη θεωρία, για την οποία είναι γνωστός: τη δυαδικότητα σωµατιδίου-κύµατος, στην οποία η ύλη έχει ιδιότητες σωµατιδιακές και κυµατικές.

Την διδακτορική του διατριβή την υπέβαλλε στο φηµισµένο Πανεπιστήµιο της Σορβόνης. Οι καθηγητές της σχολής βρέθηκαν σε αµηχανία καθώς η αποδοχή των “περίεργων ” ιδεών περί σωµατιδίων που είναι ταυτόχρονα και κύµατα θα µπορούσε να µετρήσει αρνητικά για το κύρος της σχολής και από την άλλη η απόρριψή τους θα προκαλούσε ανεπιθύµητες συνέπειες λόγω των ισχυρών διασυνδέσεων του υποψηφίου. Το δίληµµα έλυσε η φαεινή ιδέα να αποσταλεί η διατριβή για κρίση στον ίδιο τον Αϊνστάιν ο οποίος σχολίασε πως «Είναι ασφαλώς τρελή στην σύλληψή της σαν ιδέα αλλά έχει µια στέρεη βάση». Έτσι άνοιξε ο δρόµος για τη διπλή φύση των σωµατιδίων - κυµάτων.

18

O de Broglie ήταν αυτός που συνέβαλε αποφασιστικά στη γέννηση της επαναστατικής για την εποχή της θεωρίας της κυµατικής φύσης του ηλεκτρονίου, επεκτείνοντας τη διττή φύση του φωτός και στην ύλη. Βοήθησε µαζί µε άλλους φυσικούς στη δηµιουργία της Κυµατικής Μηχανικής, καθώς και στην ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας.

Στη διατριβή του ο Louis de Broglie αναφέρει τα εξής: "Αφού τα φωτόνια δείχνουν συγχρόνως χαρακτηριστικές ιδιότητες σωµατίων και κυµάτων, γιατί να µη συµβαίνει και το ίδιο µε όλες τις µορφές της ύλης, γιατί δηλαδή τα σωµατίδια να µη συµπεριφέρονται και ως κύµατα".

Η πρότασή του απαντούσε στο ερώτηµα που είχε ανακύψει κατά τους υπολογισµούς της κίνησης των ηλεκτρονίων του ατόµου. Από τα πειράµατα είχε εξαχθεί το συµπέρασµα πως τα ηλεκτρόνια πρέπει να κινούνται γύρω από τον πυρήνα, αλλά για αδιευκρίνιστους µέχρι τότε λόγους υπήρχαν περιορισµοί στην κίνησή τους. Ο de Broglie σκέφθηκε πως το ηλεκτρόνιο πρέπει να εµφανίζει και ιδιότητες κύµατος, για να µπορέσει να ξεπεράσει αυτούς τους περιορισµούς.

Οι ιδέες που παρουσιάστηκαν στη διδακτορική του διατριβή δεν είχαν επιβεβαιωθεί µέχρι τότε, αλλά επιβεβαιώθηκαν πλήρως από την ανακάλυψη της περίθλασης των ηλεκτρονίων από κρυστάλλους το 1927 από τους Davisson και Germer, στις ΗΠΑ, και από το γιο του J.J.Thomson, τον G.P. Thomson, στη Σκωτία. Το 1937 µάλιστα ο Davisson έλαβε από κοινού µε τον G.P.Thomson το βραβείο Νόµπελ γιατί µε τα φαινόµενα περιθλάσεως και συµβολής των ηλεκτρονίων απέδειξαν ότι το ηλεκτρόνιο είναι κύµα. (Ας θυµηθούµε ότι ο πατέρας του Thomson είχε τιµηθεί µε το ίδιο βραβείο το 1906 γιατί είχε αποδείξει ότι το ηλεκτρόνιο είναι σωµατίδιο!)

Ο de Broglie τιµήθηκε για την εργασία του µε το βραβείο Νόµπελ φυσικής "για την ανακάλυψή του της φύσης κυµάτων των ηλεκτρονίων". Ήταν µάλιστα και το µόνο βραβείο που δόθηκε ποτέ για µια εργασία διδακτορικής διατριβής.

Μετά το διδακτορικό του παρέµεινε στη Σορβόννη διδάσκοντας για δύο χρόνια, σαν καθηγητής της θεωρητικής φυσικής στο Ινστιτούτο Henri Poincare, το 1928. Από το 1932 ήταν επίσης καθηγητής της θεωρητικής φυσικής στη Σχολή των Επιστηµών στη Σορβόννη. Ο De Broglie δίδαξε εκεί µέχρι το 1962. Μετά τη βράβευσή του, το 1929, ο De Broglie δούλεψε πάνω στη κυµατοµηχανική.

Ο Louis-Victor de Broglie πέθανε το 1987.

19

Erwin Schrodinger (1887-1961)

Γεννήθηκε στη Βιέννη το 1887 και στην ίδια πόλη ολοκλήρωσε την επιστηµονική του εκπαίδευση το 1910. Από το 1920 εργαζόταν σε διάφορα Πανεπιστήµια και το 1926 ήταν καθηγητής στο Πανεπιστήµιο του Βερολίνου όταν έγραψε την εξίσωση του κβαντικού κόσµου. Είχε εντυπωσιασθεί από το έργο του de Broglie και για πολύ καιρό αφοσιώθηκε µε επιµονή στις ιδέες κυµάτων - σωµατιδίων. Σε µία διάλεξη οι ιδέες που ανέπτυξε επικρίθηκαν ως ατελείς. Του

υπέδειξαν πως για να περιγράψει κανείς ολοκληρωµένα τα κύµατα έπρεπε να διαθέτει την κυµατική τους εξίσωση. Έτσι το πρωί ο Schrodinger επέστρεψε θριαµβευτικά και έγραψε στον πίνακα «Ιδού η κυµατική εξίσωση» γράφοντας την φηµισµένη σήµερα εξίσωσή του. Η εξίσωση του Schrodinger έχει ανάλογη σηµασία για την κβαντική µηχανική µε εκείνη που έχουν οι εξισώσεις του Νεύτωνα για την µηχανική του µακρόκοσµου. Η συνάρτηση αυτή έχει την απίστευτη ικανότητα να αναπαριστά όλες τις καταστάσεις του ατόµου. Έτσι π.χ. στο άτοµο του υδρογόνου το ηλεκτρόνιο έχει τη δυνατότητα να βρίσκεται όχι απλώς στις καθορισµένες τροχιές αλλά σε όλες τις δυνατές θέσεις από τον πυρήνα ως το άπειρο. Υπάρχει όµως µια συγκεκριµένη πιθανότητα να βρεθεί κάποια χρονική στιγµή σε µια δεδοµένη θέση. Έτσι υπήρξε η πρώτη ουσιαστική διαφορά µε τις κλασικές αντιλήψεις. Στον ατοµικό κόσµο δεν µπορεί να γνωρίζει κανείς σε ποιο σηµείο του ατόµου θα βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο αλλά απλώς και µόνον την πιθανότητα να βρεθεί κάπου. Η µέχρι τότε τροχιά του ηλεκτρονίου αποκτά τη µορφή ενός νέφους πιθανοτήτων. Οι ενεργειακές τροχιές πάντως των ηλεκτρονίων που είχαν υπολογίσει οι Μπορ και de Broglie συνέπιπταν µε εκείνες τις θέσεις όπου το ηλεκτρόνιο εµφάνιζε τις µεγαλύτερες πιθανότητες να βρίσκεται. Το κύµα που προβλέπει η εξίσωση του Schrodinger δεν είναι προφανώς ένα υλικό κύµα αλλά ένα κύµα πιθανότητας. Το ηλεκτρόνιο δηλαδή έχει µεγαλύτερη πιθανότητα να βρεθεί εκεί που το νέφος πιθανότητας είναι πιο “πυκνό” αλλά τίποτα δεν του απαγορεύει το αντίθετο.

20

Την ερµηνεία αυτή του κύµατος ως κύµα πιθανότητας δεν την δέχθηκε ούτε ο ίδιος ο Schrodinger. Ο εµπνευστής της ήταν ο Max Born(1882-1970) ο οποίος και την επέβαλε. Ο Born τιµήθηκε το 1954 µε το βραβείο Νόµπελ Φυσικής για αυτή την ερµηνεία. Ο Born ήταν σε διαρκή διαµάχη µε τον Αϊνστάιν για την ερµηνεία αυτή. Σε µια επιστολή του ο Αϊνστάιν αναφέρει προς τον Born τη γνωστή φράση «Ο Θεός δεν παίζει ζάρια µε τον κόσµο!».

Το 1933 µε την άνοδο του Χίτλερ ο Schrodinger φεύγει για την Αγγλία όπου έµεινε για λίγο στην Οξφόρδη. Το 1934 µετά από µια διάλεξη στο Πανεπιστήµιο του Πρίνστον του προσφέρεται µια θέση καθηγητή εκεί αλλά την αρνείται. Το 1936 δέχεται να δουλέψει στο Πανεπιστήµιο του Graz αλλά µε την προσάρτηση της Αυστρίας το 1938 στη Γερµανία έρχεται σε δύσκολη θέση. Κατάφερε να διαφύγει στην Ιταλία και από εκεί στην Οξφόρδη. Λίγο καιρό µετά πήγε ως διευθυντής της Σχολής Θεωρητικής Φυσικής του νεοσύστατου Πανεπιστηµίου του ∆ουβλίνου όπου και έµεινε µέχρι που αποσύρθηκε το 1955. Όλο αυτό τον καιρό έκανε έρευνες και δηµοσιεύσεις σε διάφορα θέµατα όπως η ενοποίηση του βαρυτικού και του ηλεκτροµαγνητικού πεδίου (θέµα που απασχόλησε και τον Αϊνστάιν και παραµένει άλυτο). Το 1933 µοιράστηκε το βραβείο Νόµπελ µαζί µε τον Paul Dirac γιατί κατάφεραν να συνθέσουν την κβαντοµηχανική µε την ειδική θεωρία της σχετικότητας σε ένα ενιαίο µαθηµατικό οικοδόµηµα. Μετά την απόσυρσή του το 1955 επέστρεψε στη Βιέννη όπου και πήρε µια τιµητική θέση στο Πανεπιστήµιο. Έµεινε εκεί ως το θάνατό του το 1961.

21

Werner Karl Heisenberg (1901-1976)

Γεννήθηκε το 1901 στο Wurzburg της Γερµανίας. Ο Heisenberg σπούδασε στο Πανεπιστήµιο του Μονάχου όπου έκανε το διδακτορικό του και στη συνέχεια κατά τη διάρκεια του χειµώνα του 1922-1923 πήγε στο Gottingen όπου, έγινε βοηθός του Μαξ Μπορν, για να συνεχίσει τις µελέτες του πάνω στη φυσική.

Από το 1924 έως το 1925 εργάστηκε, µαζί µε το Niels Bohr, στο Πανεπιστήµιο της Κοπεγχάγης. Το 1926 διορίστηκε καθηγητής στη θεωρητική φυσική, στο Πανεπιστήµιο της Κοπεγχάγης και το 1927,

όταν ήταν µόνο 26 ετών, διορίστηκε καθηγητής της θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήµιο της Λειψίας.

Ο Χάιζεµπεργκ πρότεινε µια νέα µαθηµατικοποιηµένη θεωρία, στην οποία τα ηλεκτρόνια χαρακτηρίζονται όχι πια από αριθµούς, αλλά από οµάδες αριθµών διατεταγµένες σε σειρές και στήλες, δηλαδή από πίνακες. Η θεωρία αυτή, παρόλο που δεν έδινε καµία φυσική εικόνα για τα ηλεκτρόνια, πετύχαινε να εξηγήσει όλα τα πειραµατικά αποτελέσµατα. Λίγα χρόνια αργότερα ο Σρέντιγκερ πρότεινε όπως είδαµε την δικιά του µαθηµατικοποιηµένη θεωρία, στην οποία η κίνηση των ηλεκτρονίων περιγράφεται όχι ως τροχιά αλλά ως πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο σε µια συγκεκριµένη θέση.

Σύντοµα αποδείχθηκε ότι η θεωρία των πινάκων του Χάιζεµπεργκ και η θεωρία των κυµάτων του Σρέντιγκερ είναι εντελώς ισοδύναµες, και από τότε µέχρι σήµερα χρησιµοποιούµε τη θεωρία του Σρέντιγκερ, επειδή είναι καλύτερη στη µαθηµατική δοµή της και συνδέεται µε φυσικό τρόπο µε την Κλασική Μηχανική, Το 1927 διατύπωσε ο ίδιος ο Χάιζενµπεργκ την «αρχή της απροσδιοριστίας», µετά από στενή συνεργασία µε τον Μπορ, η οποία αρχή έδινε µια τελείως νέα πραγµατικότητα για το φυσικό κόσµο, όπως ότι κύµα και σωµατίδιο είναι διαφορετικές θεωρήσεις του ίδιου πράγµατος. Στη θέση της αιτιότητας της κλασικής Φυσικής, µπήκε η τυχαιότητα των γεγονότων. Η «αρχή της απροσδιοριστίας» έχει πολύ πιο ενδιαφέρουσες συνέπειες από όσες η πρώτη εντύπωση υπονοεί. Σύµφωνα µε την αρχή δεν µπορούµε να έχουµε πλήρη και ταυτόχρονη γνώση της θέσης και της ταχύτητας ενός σωµατιδίου και αυτό δεν οφείλεται σε κάποια αδυναµία των οργάνων µέτρησης η οποία πρόκειται να εξαλειφθεί όσο εκείνα τελειοποιούνται. Είναι εγγενής και βαθύτερος

22

περιορισµός στην ίδια τη λειτουργία της φύσης. Περιορισµός ο οποίος και πάλι προσδιορίζεται από την σταθερά του Πλανκ. Μία από τις τολµηρότερες συνέπειες που επιβάλλει η αρχή της απροσδιοριστίας είναι ότι η έννοια της τροχιάς διαλύεται, καθώς κάθε παρατήρηση του ηλεκτρονίου που θα γινόταν για να καθορίσουµε την τροχιά του διαταράσσει την ίδια την κίνηση. Η Κβαντική φυσική δηλαδή µας υποχρεώνει µεν να αποδεχθούµε ότι ένα ηλεκτρόνιο κινείται αλλά δεν µπορούµε ποτέ να µάθουµε πού και πώς ακριβώς κινείται.

Το 1932 οι εργασίες του Χάιζενµπεργκ για τη συµβολή του στην Κβαντική θεωρία και στις εφαρµογές της στο άτοµο του υδρογόνου τιµήθηκαν µε το Νόµπελ της Φυσικής.

Όταν επρόκειτο να πληρωθεί η έδρα Θεωρητικής Φυσικής του Ζόµερφελντ το 1937 στο Μόναχο, ήταν προφανές ότι µόνο ο Χάιζενµπεργκ ήταν δυνατόν να την καταλάβει. Αυτή την επιλογή προσπάθησαν να παρεµποδίσουν οι ναζιστικοί κύκλοι για αρκετά χρόνια, επειδή ο Χάιζενµπεργκ είχε υποστηρίξει επιστηµονικά πορίσµατα που είχε δηµοσιεύσει ο «Εβραίος» Αϊνστάιν. Το 1940 µε την έναρξη του πολέµου αναγκάστηκαν να υποχωρήσουν οι ναζί, επειδή οι γνώσεις του Χάιζενµπεργκ ήταν απαραίτητες για τις έρευνες στην πυρηνική Φυσική. ∆εν είναι γνωστό µε πόσο ζήλο εργάστηκε ο µεγάλος ερευνητής για την κατασκευή µιας «ναζιστικής» ατοµικής βόµβας, πάντως δεν έδειξε ποτέ ότι επηρεάζονταν οι επιστηµονικές εργασίες του από τις συνθήκες ζωής υπό το χιτλερικό καθεστώς, µε συνθήκες παγκόσµιου πολέµου, µε διωγµούς ή διαφυγές συναδέλφων του από τη Γερµανία κ.ά.

Μετά τον πόλεµο ο Χάιζενµπεργκ συνέβαλε σηµαντικά στην επιστηµονική ανόρθωση της Γερµανίας, στην οποία είχαν υποστεί καταστροφή τα πανεπιστηµιακά εργαστήρια και είχαν αποψιλωθεί από τεράστιο αριθµό επιστηµόνων στο εξωτερικό.

Πέθανε στο Μόναχο σε ηλικία 75 ετών και άφησε επτά παιδιά.

23

Βιβλιογραφία

• Al-Khalili Jim, "Quantικά Παράδοξα" Εκδόσεις Τραυλός

• Βάρβογλη Χάρη, ∆ιδακτικές σηµειώσεις για το µάθηµα Ιστορία και Εξέλιξη ιδεών στη Φυσική, 2005

• Γραµµατικάκης Γιώργος, "Η Αυτοβιογραφία του φωτός" Πανεπιστηµιακές Εκδόσεις Κρήτης

• Ζαχαρούλη Αχιλλέα, "Φυσική", Μακεδονικές Εκδόσεις

• Κασσέτας Ανδρέας, "Το φάντασµα του Λεονάρντο" Εκδόσεις Κάτοπτρο

• Weisskopf Victor, "Η Κβαντική Επανάσταση" Εκδόσεις Κάτοπτρο

Urls:

http://www.spaceandmotion.com http://www.spaceandmotion.com/quantum-theory-albert-einstein-quotes.htm http://sfr.ee.teiath.gr/historia/historia/important/html/ http://tovima.dolnet.gr/print_article.php?e=B&f=13172&m=C07&aa=1 http://users.sch.gr/kassetas/educ28.htm http://www.geocities.com/artofwise/Kopenhagener.html http://www.nea-acropoli.gr http://nobelprize.org/physics/laureates/index.html http://el.wikipedia.org/wiki/ http://www.edugraphics.net/ http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/BiogIndex.html http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_mechanics Πίνακες Εξωφύλλου: Λεπτοµέρεια από τη "Σχολή των Αθηνών" του Ραφαήλ. Ο Πλάτων έχει τη µορφή του Λεονάρντο ντα Βίντσι. Ο Πλάτων δείχνει προς τα πάνω όπου βρίσκεται ο κόσµος των ιδεών. Ο Αριστοτέλης δείχνει προς τα κάτω σαν να θέλει να προσγειώσει στον υλικό κόσµο τον άκρατο ιδεαλισµό του δασκάλου. 1509-1511 Ζορζ-Πιέρ Σερά , 1859-1891, “Το µοντέλο” (νεοιµπρεσσιονισµός) Ο Σερά είναι ο πρώτος µοντέρνος καλλιτέχνης - επιστήµων που αποδίδει τη φύση µέσα από µαθηµατικές ισότητες και επιστηµονικές διαπιστώσεις. Η έµφαση που παίρνει το φως στην έρευνα των ιµπρεσιονιστών και ο τρόπος που µεταγράφεται πλαστικά µε µικρές δονούµενες πινελιές καθαρού χρώµατος ανταποκρίνεται στην ηλεκτροµαγνητική θεωρία του Μάξγουελ, που ερµηνεύει το φως σαν ιδιαίτερο είδος ηλεκτροµαγνητικών κυµάνσεων που µεταφέρουν ενέργεια.