Πως ανακαλύψαμε για πρώτη φορά ότι υπάρχει φως πέρα από αυτό που βλέπουμε – Η ανακάλυψη των υπέρυθρων ακτίνων  

Τι-Πως-Γιατί

Βασικά ήταν… μουσικός!

Του άρεσε να παρατηρεί τα άστρα: Εξελίχθηκε, λοιπόν, σε έναν από τους καλύτερους κατασκευαστές τηλεσκοπίων και διορίστηκε Βασιλικός Αστρονόμος όταν ανακάλυψε τον Ουρανό το 1781. Τον πρώτο πλανήτη που ανακαλύφθηκε ποτέ, πέραν αυτών που διακρίνονταν με γυμνό μάτι και ήταν ήδη γνωστοί από την αρχαιότητα.

Ήθελε να παρατηρήσει τον Ήλιο: Ψάχνοντας να βρει, λοιπόν, ποιά περιοχή (χρώμα) του φωτός μεταφέρει την λιγότερη ζέστη, κατάφερε να βρει ότι υπάρχει φως και πέρα από αυτό που βλέπουμε. Το 1800 ανακάλυψε την πρώτη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος πέραν του ορατού, την υπέρυθρη. Και διενήργησε πειράματα που έδειξαν πως αυτά τα δύο είναι της ίδιας φύση. Ότι δηλαδή η αόρατη θερμική ακτινοβολία συμπεριφέρεται ακριβώς όπως το φως.

Όχι άσχημα! Σωστά;

Περί του William Herschel ο λόγος (1738-1822). Sir William Herschel για όσους, ίσως, ενδιαφέρονται για την ταξική διαστρωμάτωση καθώς και και τους τίτλους ευγενείας των “your betters”, που χαρακτηρίζουν το βρετανικό μοντέλο. Ο ίδιος βέβαια ήταν γερμανός. Μετανάστης από το Μόναχο που σε νεαρή ηλικία πήγε στην Αγγλία να εργαστεί ως μουσικός. Και εξ όσων γνωρίζουμε, ήταν καλός επαγγελματίας.   

Είχε όμως ένα παράλλλο πάθος. Την μελέτη του ουρανού, την παρατήρηση, καταγραφή και απόπειρα κατανόησης όλων αυτών που γεμίζουν τον νυχτερινό ουρανό· και όχι μόνο

Και μιλάμε για “όλα αυτά που γεμίζουν τον ουρανό”, χωρίς να αναφερόμαστε συγκεκριμένα σε αστέρια ή πλανήτες, γιατί ο Herschel παρατήρησε και νεφελώματα. Δημιούργησε μάλιστα καταλόγους με αυτά καθώς και καταλόγους με διπλούς αστέρες.

Και το “όχι μόνο” που αναφέρουμε, έχει να κάνει με την αιτία που τον οδήγησε να ανακαλύψει τις υπέρυθρες: ήθελε να μπορεί να παρατηρεί τον Ήλιο!

Το πρόβλημα της Ηλιακής παρατήρησης

Νομίζω πως όλοι μπορούμε να καταλάβουμε πόσο επικίνδυνη είναι για την όρασή μας η απευθείας έκθεση στο ηλιακό φως, η άμεση δηλαδή παρατήρηση του Ήλιου. Και όσοι δεν μπόρεσαν να το καταλάβουν, το πλήρωσαν ακριβά. Η κατάσταση γίνεται ακόμα πιο επικίνδυνη όταν αντί για απλή παρατήρηση με γυμνό οφθαλμό, επιχειρήσουμε να χρησιμοποιήσουμε τηλεσκόπιο για να διακρίνουμε λεπτομέρειες που μόνο η μεγέθυνση επιτρέπει, δηλαδή η συγκέντρωση του φωτός. Γιατί, άλλωστε, αυτό είναι το τηλεσκόπιο. Ένα μεγάλο μάτι που συγκεντρώνει όσο το δυνατόν περισσότερο φως.

Ο ενθουσιώδης αστρονόμος μας ήθελε να μπορεί να μελετήσει τον Ήλιο, αλλά -τι πιο λογικό;- να μπορέσει να το κάνει με ασφάλεια.

Σκέφτηκε λοιπόν πως ίσως ένα χρωματικό φίλτρο να ήταν κατάλληλο για αυτή τη δουλειά. Ένα φίλτρο που το φως το οποίο θα άφηνε να περάσει να “κουβαλούσε” μαζί του λιγότερη “ζέστη” από όση τα υπόλοιπα χρώματα

Για να μπορεί να γίνει κάτι τέτοιο, όμως, θα έπρεπε πρώτα να εξετάσει το αν υφίσταται τέτοια διαφορά μεταξύ των χρωμάτων που απαρτίζουν το λευκό φως του Ήλιου. Να δει πρώτα εάν υπάρχει διαφορά, εάν κάθε χρώμα δηλαδή ζεσταίνει περισσότερο ή λιγότερο από τα άλλα (και όχι όλα το ίδιο). Και έαν ισχύει κάτι τέτοιο, τότε να βρει ποιό από αυτά μεταφέρει λίγότερη ζέστη.

Η ζέστη αυτή, είναι αυτό που σήμερα αναγνωρίζουμε και αποκαλούμε ενέργεια του κάθε ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Και γνωρίζουμε πως όσο μεγαλύτερη η συχνότητα, τόσο μεγαλύτερη και η ενέργεια των φωτονίων. Γιατί ας μην ξεχνάμε πως όλα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι φως. Βέβαια η ζέστη, η θερμότητα είναι το αποτέλεσμα ενός κύματος επάνω σε ένα σώμα, το φως το ίδιο δεν είναι ζεστό! Αυτό όμως δεν είναι που ενδιέφερε επί της ουσίας τον Herschel; Η ζέστη που θα βλάψει το μάτι του κατά την παρατήρηση; Οπότε, ας λέμε ζέστη και καταλαβαίνουμε τι εννοούμε…

Το πείραμα του 1800

Πως βλέπεις την ζέστη; Μα με ένα θερμόμετρο, φυσικά! Και ήταν και δυσεύρετα εκείνη την εποχή. Ο Herschel διέθετε ήδη ένα, χρειάστηκε να δανειστεί άλλα δύο, όμως, για τις ανάγκες του πειράματός του.

Για να μπορέσει να δει το κατά πόσο ζεσταίνει το κάθε χρώμα, δηλαδή το πόση ζέστη “κουβαλάει”, σκέφτηκε να μετρήσει το πόσο θα αυξηθεί η θερμοκρασία ενός θερμόμετρου όταν αυτό εκτεθεί στο συγκεκριμένο χρώμα. Άρα, το πρώτο που χρειαζόταν είναι να μπορεί να διαχωρίσει τα χρώματα. Για να το πετύχει αυτό χρησιμοποίησε ένα γυάλινο πρίσμα. Τέτοιου είδους πρίσματα ήταν γνωστά από πολύ πιο πριν. Για παράδειγμα, τα πειράματα του Νεύτωνα για την ανάλυση του λευκού φωτός είχαν λάβει χώρα 150 χρόνια περίπου πριν από το πείραμα του Herschel. Ένα από τα πλέον γνωστά είναι αυτό στο οποίο ο Νεύτωνας ήθελε να ελέγξει το κατά πόσον δύναται να αναλυθεί περαιτέρω, το φως που έχει ήδη αναλυθεί από ένα πρίσμα. Αλλά αυτό το πείραμα θα το δούμε σε κάποιο άλλο άρθρο στο μέλλον.

Τι κάνει λοιπόν ένα πρίσμα; Μια καλή εικόνα μπορούμε να πάρουμε κοιτάζοντας το εξώφυλλο του άλμπουμ “The Dark Side of the Moon” των Pink Floyd. Εμείς, αντί για το εξώφυλλο, θα βάλουμε την παρακάτω εικόνα:

Το πρίσμα ουσιαστικά αναλύει το φως, μέσω του φαινομένου της διάθλασης, στα διάφορα “χρώματα” που το απαρτίζουν, στις διάφορες συνιστώσες του. Το αποτέλεσμα είναι -περίπου- αυτό που παρατηρούμε σε ένα ουράνιο τόξο (αν και εκεί τα πράγματα είναι λίγο πιο πολύπλοκα).

Θα μπορούσε, τώρα, κάποιος να αναρωτηθεί για τα εισαγωγικά που βάλαμε στη λέξη χρώματα. Ο λόγος που το κάναμε αυτό είναι πως δεν υπάρχουν συγκεκριμένα χρώματα στα οποία αναλύεται το λευκό (ή οποιοδήποτε άλλο μη μονοχρωματικό φως). Μπορεί εμείς, όντως, να βλέπουμε κάποια χρώματα στο ουράνιο τόξο ή στην έξοδο ενός πρίσματος. Μπορεί κάποιοι να τσακώνονται κατά καιρούς για το εάν αυτά τα χρώματα είναι 5 ή 6 ή 7. Η αλήθεια όμως είναι ότι το φάσμα περιλαμβάνει άπειρες συχνότητες (ή μήκη κύματος εάν προτιμάτε) που απαρτίζουν το ορατό φως. Και όχι μόνο! Όπως έδειξε ο Herschel, το φάσμα περιλαμβάνει και συχνότητες που είναι αόρατες σε εμάς. Το ότι εμείς ξεχωρίζουμε κάποιες περιοχές στις οποίες φαίνεται να κυριαρχεί κάποιο χρώμα, έχει να κάνει με τον τρόπο που λειτουργεί η ανθρώπινη όραση και τίποτα παραπάνω.

Έχοντας διαχωρίσει πλέον τα χρώματα, το μόνο που είχε να κάνει ήταν να εκθέσει το θερμόμετρο διαδοχικά σε κάθε ένα από αυτά και να μετρήσει το πόσο θα αυξηθεί η θερμοκρασία που αναγράφει, όταν αυτή θα έφτανε στο σημείο να παραμένει σταθερή για 10 λεπτά περίπου. Για να μην ληφθούν υπ’όψη αλλαγές θερμοκρασίας που ενδεχομένως να οφείλονται σε άλλους παράγοντες (π.χ. μεταβολή της θερμοκρασίας του δωματίου), ο Herschel χρησιμοποίησε τα άλλα δύο θερμόμετρα ως όργανα ελέγχου. Τα τοποθετούσε δηλαδή κοντά στο κύριο θερμόμετρο, αλλά σε θέσεις τέτοιες, ώστε να μην πέφτει φως επάνω τους. Συγκρίνοντας στο τέλος τις αλλαγές που έδειχναν όλα τα θερμόμετρα, μπορούσε να υπολογίσει πόσο αυξήθηκε η θερμοκρασία του κύριου θερμόμετρου από την ακτινοβολία κάθε χρώματος, με άλλα λόγια το κατά πόσο ζέστανε το θερμόμετρο το κάθε χρώμα.

Παρατήρησε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας ακολουθούσε μία ανοδική πορεία διατρέχοντας το φάσμα, από το ιώδες προς το ερυθρό. Η άυξηση θερμοκρασίας, δηλαδή, που κατέγραψε για το πράσινο ήταν μεγαλύτερη από αυτήν για το ιώδες και -με την σειρά της- η άυξηση για το κόκκινο ήταν μεγαλύτερη από αυτήν για το πράσινο.

Η καμπύλη της αύξησης της θερμοκρασίας ανάλογα με το χρώμα έδειχνε να μεγαλώνει διαρκώς, χωρίς να εμφανίζει κάπου ένα μέγιστο. Σκέφτηκε λοιπόν πως αυτή η τάση, αυτή η διαρκώς αυξανόμενη ικανότητα θέρμανσης ίσως να εξακολουθούσε να υφίσταται και εκτός των ορατών χρωμάτων. Επανέλαβε λοιπόν ξανά το πείραμα, μόνο που τώρα αντί να τοποθετήσει το θερμόμετρο σε σημείο που να πέφτει κάποιο χρώμα, το τοποθέτησε δίπλα στο ερυθρό, σε μία θέση όπου δεν φαινόταν να προσπίπτει φως.

Εμείς, βέβαια, τώρα ξέρουμε πως και σε αυτό το σημείο προσέπιπτε φως, το υπέρυθρο φως το οποίο είναι αόρατο στο ανθρώπινο μάτι. Ο Herschel πίστευε, όμως, πως αναζητεί αόρατες θερμικές ακτίνες.

Το θέμα πάντως είναι ότι η θερμοκρασία του θερμόμετρου αυξήθηκε. Και μάλιστα ακόμα περισσότερο σε σχέση με πριν, ακολουθώντας έτσι την τάση που εμφάνιζαν τα διάφορα χρώματα του φάσματος. Κάτι υπήρχε εκεί.

Κάτι αόρατο, το οποίο προσέδιδε ζέστη. Και μάλιστα περισσότερη ζέστη από όση τα ορατά χρώματα. Η ύπαρξη νέων ακτίνων, αυτές που γνωρίζουμε σήμερα ως υπέρυθρες, ήταν γεγονός!

Προχωρώντας ακόμη περισσότερο

Προχωρώντας όλο και πιο μακριά από το σημείο που προσέπιπτε το ερυθρό, ο Herschel κατάφερε να βρει ένα μέγιστο. Ένα αόρατο χρώμα ή μία θερμική ακτίνα (calorific ray, όπως την αποκαλούσε ο ίδιος) από την οποία και μετά η ικανότητα για θέρμανση άρχιζε να φθίνει.

Παράλληλα, για να μπορέσει να βρει ποιό χρώμα είναι αυτό που μας βοηθάει περισσότερο στις παρατηρήσεις, αυτό που εμφανίζει δηλαδή πιο φωτεινά και με καλύτερες λεπτομέρειες τα αντικείμενα που παρατηρουμε, μελέτησε διάφορα αντικείμενα μέσω ενός μικροσκόπιου, φωτίζοντάς τα κάθε φορά με διαφορετικό χρώμα από το φάσμα. Οι μετρήσεις του, τόσο για τις “θερμικές ακτίνες” όσο και για το πιο φωτεινό χρώμα, φαίνονται στο παρακάτω σχήμα:

Ο ίδιος, αρκετές φορές θεώρησε ότι οι θερμικές ακτίνες και το φως ίσως είναι της ίδιας φύσης. Αναρωτήθηκε, άλλωστε, εάν θα ήταν δυνατό να δούμε μία θερμική ακτίνα εάν αυτή ήταν αρκετά έντονη. Άλλες πάλι φορές απομακρύνθηκε από αυτή την ιδέα. Ας μην ξεχνάμε πως πήγαινε στα… τυφλά! Είναι ίσως δύσκολο να το αντιληφθούμε σήμερα, όπου οι βάσεις, οι ορισμοί και οι συμβάσεις της επιστήμης είναι ξεκάθαρα. Όμως την εποχή του Herschel πολλά ήταν ακόμη θολά. Δεν έψαχνε να μετρήσει με συγκεκριμένες μονάδες μία συγκεκριμένη ιδιότητα, κάτω από γνωστούς νόμους, όπως θα κάναμε σήμερα, αλλά αντίθετα προσπαθούσε να δει τι υπάρχει πέρα από όσα είναι ήδη γνωστά. Ας μην βιαστούμε να τον κρίνουμε, λοιπόν, για τα συμπεράσματά του. Αλλά και για τα αποτελέσματα των πειραμάτων του, καθώς και σε αυτά εμφανίζονται… προβληματάκια!

Είδαμε πως στα πειράματα του Herschel η θερμαντική ικανότητα (η ενέργεια που μεταφέρει κάθε συχνότητα θα λέγαμε σήμερα) αυξάνει καθώς πηγαίνουμε από το ιώδες προς το ερυθρό. Για την ακρίβεια ισχύει ακριβώς το αντίθετο. Όσο μεγαλύτερη η συχνότητα, τόσο περισσότερη ενέργεια διαθέτει το κύμα. Έτσι, οι υπέρυθρες μεταφέρουν λιγότερη ενέργεια από το ορατό φως, ενώ η ενέργεια των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με υψηλή συχνότητα (π.χ. οι ακτίνες γ) είναι κατά πολύ μεγαλύτερη.

Αυτά όσον αφορά στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα γενικώς. Ειδικώς για το λευκό φως, αυτό που προέρχεται από τον Ήλιο, αυτό εμφανίζει μέγιστο, καθώς ο Ήλιος δεν εκπέμπει κάθε συχνότητα με την ίδια ένταση αλλά το φάσμα του ακολουθεί την εκπομπή μέλανος σώματος.

Οι μετρήσεις του Herschel είναι είναι αρκετά κοντά στην πραγματικότητα:

Δεν συνέβη το ίδιο όμως για την ένταση του φωτός! Όπως γνωρίζουμε σήμερα, η καταγραφή δεν εξαρτάται μόνο από την ένταση της κάθε συχνότητας, αλλά και από την καμπύλη απόκρισης του ανιχνευτή που χρησιμοποιούμε. Και εφόσον ο ανιχνευτής ήταν το ανθρώπινο μάτι, το πείραμα του Herschel ουσιαστικά αναπαριστά την απόκριση του ματιού παρά την πραγματική μορφή εκπομπής του φωτός. Γι αυτό άλλωστε και το μέγιστο, η συχνότητα που φαίνεται πιο λαμπρή και μας βοηθάει καλύτερα στις παρατηρήσεις είναι κοντά στο πράσινο, στην συχνότητα δηλαδή όπου το ανθρώπινο μάτι έχει εξελιχθεί να έχει την μεγαλύτερη ευαισθησία.

Παρά το ότι η καμπύλη στην οποία θα κατέληγε θα ήταν πάντα η ίδια (αυτή της απόκρισης του οφθαλμού) ανεξάρτητα από την πραγματική μορφή του φάσματος, η υπόθεσή του ότι το φως δεν κατανέμεται ομοιόμορφα ήταν σωστή. Όμως η καμπύλη του για τις “θερμικές ακτίνες” όπως είδαμε ήταν σωστή και μάλιστα πολύ κοντά στην πραγματικότητα.

Εν πάσει περιπτώσει η ανακάλυψη των υπέρυθρων, ανεξάρτητα από όλα αυτά, ήταν πλέον γεγονός. Μία πραγματικά σπουδαία ανακάλυψη…

1 σκέψη στο “Πως ανακαλύψαμε για πρώτη φορά ότι υπάρχει φως πέρα από αυτό που βλέπουμε – Η ανακάλυψη των υπέρυθρων ακτίνων  

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *