Είχα τις προάλλες μία συζήτηση με τους δευτεροετείς μου για την ηλεκτρομαγνητική (Η/Μ) ακτινοβολία και τους τρόπους που αυτή παράγεται. Αυτά όλα προβλέπονται από τις εξισώσεις του Maxwell (και τα μαθηματικά εκεί είναι ιδιαίτερα στρυφνά!), όμως πριν απ' όλα είναι αναγκαίο να κατανοήσει κάποιος τις υποκείμενες φυσικές έννοιες. Και αυτές, ευτυχώς, είναι εύκολα κατανοητές.
Παραθέτω ένα απόσπασμα από ένα παιδαγωγικό άρθρο του 2016:
--------------------------------
Η διάδοση ενέργειας μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων καλείται ηλεκτρομαγνητική (Η/Μ) ακτινοβολία. Έτσι, ένα φυσικό σύστημα που εκπέμπει ενέργεια στη μορφή Η/Μ κυμάτων λέμε ότι εκπέμπει Η/Μ ακτινοβολία ή, απλά, ότι ακτινοβολεί. Παραδείγματα τέτοιων συστημάτων είναι τα άτομα, τα μόρια, οι πυρήνες, τα θερμά σώματα, οι κεραίες των ραδιοφωνικών σταθμών, κλπ.
Από μια προσεκτική εξέταση των εξισώσεων του Maxwell προκύπτει ότι η Η/Μ ακτινοβολία παράγεται με βασικά δύο τρόπους: (α) με επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία, και (β) με χρονικά μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά ρεύματα. Ειδικά, ένα φορτίο που κινείται με σταθερή ταχύτητα (ευθύγραμμα και ομαλά) δεν ακτινοβολεί. Συνηθίζω να το εξηγώ αυτό στους μαθητές μου χρησιμοποιώντας την παρακάτω παραβολή:
Μια ζεστή μέρα του καλοκαιριού πάτε ως το περίπτερο να αγοράσετε ένα παγωτό. Για να προλάβετε πριν λιώσει, αποφασίζετε να το φάτε στο δρόμο. Βαδίζετε αμέριμνοι σε ένα ευθύγραμμο μονοπάτι με σταθερό βήμα (άρα, με σταθερή ταχύτητα) χωρίς να πάρετε είδηση ένα σμήνος από μέλισσες που σας ακολουθούν πολιορκώντας το παγωτό σας! Όταν ξαφνικά τις αντιλαμβάνεστε, επιταχύνετε την κίνησή σας για να τους ξεφύγετε (είτε τρέχετε πιο γρήγορα προς τα μπρος, είτε απλά αλλάζετε κατεύθυνση πορείας). Τρομαγμένες, τότε, από την κίνησή σας αυτή, κάποιες μέλισσες αποκόπτονται από το σμήνος και πετούν μακριά, χωρίς ποτέ να επιστρέψουν.
Τι σημαίνουν όλα αυτά; Το «παγωτό» είναι ένα ηλεκτρικό φορτίο που αρχικά κινείται με σταθερή ταχύτητα, μεταφέροντας στην κατεύθυνση της κίνησής του την ολική ενέργεια του Η/Μ πεδίου του (το «σμήνος των μελισσών») η οποία μένει σταθερή. Όταν το φορτίο επιταχύνεται, ένα μέρος της ενέργειας αυτής (οι «μέλισσες» που πέταξαν μακριά) αποσπάται, κατά κάποιον τρόπο, και απομακρύνεται προς το άπειρο με την ταχύτητα του φωτός, υπό μορφή Η/Μ κύματος. Και, όσο πιο μεγάλη είναι η επιτάχυνση του φορτίου, τόσο πιο μεγάλη είναι και η ενέργεια της εκπεμπόμενης Η/Μ ακτινοβολίας στη μονάδα του χρόνου.
--------------------------------
Όταν τελείωσα την παράθεση της πιο πάνω παραβολής, ένας φοιτητής έκανε μία πολύ έξυπνη ερώτηση:
"Η επιτάχυνση είναι κάτι το σχετικό. Αν ένα φορτίο επιταχύνεται ως προς έναν ακίνητο παρατηρητή, αυτός θα βλέπει το φορτίο να εκπέμπει Η/Μ ακτινοβολία. Ένας παρατηρητής, όμως, που κινείται μαζί με το φορτίο προφανώς δεν θα βλέπει καμία ακτινοβολία! Πώς γίνεται το φορτίο ταυτόχρονα να εκπέμπει και να μην εκπέμπει;"
Αφού τον συνεχάρην για τη σκέψη του, θύμισα στην τάξη την έννοια του αδρανειακού συστήματος αναφοράς, την οποία είχαμε μελετήσει στο πρώτο έτος στο πλαίσιο της Μηχανικής (έχουμε αναφερθεί σχετικά σε άλλο άρθρο). Τους τόνισα και πάλι ότι σε αυτά και μόνο τα συστήματα αναφοράς ισχύουν οι νόμοι του Νεύτωνα, καθώς και εκείνοι του ηλεκτρομαγνητισμού. Έτσι, ένα ηλεκτρικό φορτίο εκπέμπει Η/Μ ακτινοβολία όταν επιταχύνεται ως προς έναν αδρανειακό παρατηρητή. Ο παρατηρητής που κινείται μαζί με το φορτίο δεν είναι αδρανειακός, έτσι - αν και σε εκείνον το φορτίο φαίνεται ακίνητο, άρα και μη-επιταχυνόμενο - δεν έχει "δικαίωμα" να ερμηνεύει τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα με βάση τις εξισώσεις του Maxwell και, αν επιμείνει να το κάνει, θα φτάσει στο λανθασμένο συμπέρασμα ότι ακόμα και ένα ακίνητο φορτίο ακτινοβολεί! Στην πραγματικότητα, βέβαια, το φορτίο ακτινοβολεί επειδή επιταχύνεται ως προς τον αδρανειακό παρατηρητή που παρακολουθεί το φορτίο.
Στο σημείο αυτό ανέφερα στους φοιτητές ότι ο Maxwell ήταν άτυχος που δεν πρόλαβε την θεωρία της σχετικότητας, αφού με βάση αυτήν είναι πολύ εύκολο να αποδειχθεί ότι ένα φορτίο που κινείται με σταθερή ταχύτητα ως προς έναν αδρανειακό παρατηρητή δεν ακτινοβολεί. Ας δούμε πώς:
Έστω φορτίο q που κινείται με σταθερή ταχύτητα (ευθύγραμμα και ομαλά) ως προς έναν αδρανειακό παρατηρητή Ο. Θεωρούμε και έναν παρατηρητή Ο΄ που κινείται μαζί με το φορτίο, άρα είναι κι αυτός αδρανειακός (αφού κινείται με σταθερή ταχύτητα ως προς τον Ο). Επειδή το q είναι ακίνητο ως προς τον Ο΄, ο παρατηρητής αυτός δεν θα καταγράφει εκπομπή Η/Μ ακτινοβολίας από το q.
Ας κάνουμε τώρα την υπόθεση ότι ο "ακίνητος" παρατηρητής Ο, ως προς τον οποίο το q κινείται με σταθερή ταχύτητα, βλέπει το q να ακτινοβολεί. Σύμφωνα με την αρχή της σχετικότητας, η Η/Μ ακτινοβολία διαδίδεται με την ίδια ταχύτητα c (ταχύτητα του φωτός) σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς. Έτσι, αν ο Ο βλέπει ακτινοβολία που διαδίδεται με ταχύτητα c, τότε και ο Ο΄ θα πρέπει να βλέπει την ίδια ακτινοβολία να διαδίδεται με την ίδια ταχύτητα. Όμως, όπως είπαμε πιο πριν, ο Ο΄ δεν βλέπει στην πραγματικότητα καμία ακτινοβολία! Γιατί οδηγηθήκαμε σε άτοπο; Διότι κάναμε μία λανθασμένη υπόθεση: ότι ο Ο βλέπει το q να ακτινοβολεί. Συμπέρασμα: το φορτίο q δεν μπορεί να ακτινοβολεί αν κινείται με σταθερή ταχύτητα ως προς τον αδρανειακό παρατηρητή Ο.
Η επιχειρηματολογία που χρησιμοποιήσαμε καταρρέει αν το q επιταχύνεται ως προς τον Ο, αφού ο Ο΄, που κινείται μαζί με το φορτίο, δεν είναι τώρα αδρανειακός παρατηρητής και, συνεπώς, η αρχή της σχετικότητας δεν μπορεί πλέον να χρησιμοποιηθεί για να συσχετίσει τις παρατηρήσεις των Ο και Ο΄.
Παρά τις επαναστάσεις στη Φυσική που συνέβησαν κατά τον 20ό αιώνα, ο Νεύτωνας και ο Maxwell παραμένουν επίκαιροι. Γι αυτό και είναι αληθινά μεγάλοι!
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου