Είναι το φως ύλη;

Αν το φως είναι ύλη είναι μια κλασική ερώτηση της φυσικής, και η απάντηση εξαρτάται από το πώς ορίζουμε την «ύλη». Στη φυσική, η «ύλη» συνήθως αναφέρεται σε μια οντότητα που καταλαμβάνει ένα συγκεκριμένο χώρο και έχει μάζα. Ωστόσο, το φως, ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα, έχει μερικές μοναδικές ιδιότητες που το κάνουν διαφορετικό από την ύλη στην παραδοσιακή έννοια. Εδώ είναι μια λεπτομερής συζήτηση για τη φύση του φωτός:

Διπλή φύση κύμα-σωματίδιο του φωτός

• Ταλαντωτικότητα: Το φως εμφανίζει ταλαντωτικότητα και είναι ικανό να εμφανίζει διάχυτη και διαφραγματική συμπεριφορά. Αυτά τα φαινόμενα μπορούν να εξηγηθούν από τη θεωρία των κυμάτων.

• Η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell πρόβλεψε την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, και το φως θεωρήθηκε ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα.

• Ιδιότητα σωματιδίου: Στο πείραμα του φωτοηλεκτρικού εφέκτου, ο Einstein πρότεινε την έννοια του φωτονίου (photon), εξηγώντας την ποσοτικοποίηση της ενέργειας του φωτός. Τα φωτόνια εμφανίζουν τις ιδιότητες των σωματιδίων, όπως διακριτή ενέργεια και ορμή.

Ιδιότητες των φωτονίων

• Μηδενική μάζα σταθερής: Τα φωτόνια είναι σωματίδια χωρίς μάζα σταθερής, αλλά έχουν ορμή και ενέργεια. Η ενέργεια ενός φωτονίου είναι ανάλογη με τη συχνότητά του (E=hν, όπου h είναι η σταθερά του Planck και ν η συχνότητα).

• Ταχύτητα: Η ταχύτητα των φωτονίων σε κενό είναι η ταχύτητα του φωτός.c, περίπου 299,792,458 μέτρα ανά δευτερόλεπτο.

Η αλληλεπίδραση του φωτός και της ύλης

Απορρόφηση και εκπομπή: Η ύλη μπορεί να απορροφά φωτόνια και να τα εκπέμπει ξανά, και αυτές οι διαδικασίες περιλαμβάνουν τη μεταφορά ενέργειας.

Η αλληλεπίδραση μεταξύ φωτονίων και ύλης ακολουθεί τους νόμους της κβαντικής μηχανικής.

Διάδοση του φωτός: Όταν το φως εξαπλώνεται σε ένα μέσο, η ταχύτητά του μειώνεται, και μπορεί να εμφανιστούν φαινόμενα όπως η διάχυτη, η ανακλαστική και άλλα.

Το φως ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

• Ηλεκτρομαγνητικό κύμα: Το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που αποτελείται από ταλαντώμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που είναι κάθετα μεταξύ τους στην κατεύθυνση της διάδοσης.

• Λήμμα και συχνότητα: Το λήμμα και η συχνότητα του φωτός καθορίζουν το χρώμα και την ενέργεια του. Το ορατό φώς είναι μόνο ένα μικρό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Η διαφορά μεταξύ φωτός και ύλης

• Κατάληψη χώρου: Η ύλη στην παραδοσιακή έννοια καταλαμβάνει ένα συγκεκριμένο χώρο και έχει μάζα. Παρόλο που τα φωτόνια έχουν ενέργεια και ορμή, δεν έχουν μάζα σταθερής και δεν καταλαμβάνουν ένα σταθερό όγκο.

• Μάζα: Η ύλη έχει μάζα, ενώ τα φωτόνια δεν έχουν μάζα σταθερής. Ωστόσο, η ενέργεια των φωτονίων μπορεί να μετατραπεί σε μάζα (π.χ. μέσω της δημιουργίας ζευγών σωματιδίων).

Συμπέρασμα 

Το φως δεν είναι ύλη στην παραδοσιακή έννοια ούτε καθαρή ενέργεια. Έχει διπλή φύση κύμα-σωματίδιο και είναι ένα μοναδικό ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο. Παρόλο που τα φωτόνια είναι μονάδες ενέργειας, είναι διαφορετικά από αυτά που συνήθως λέγουμε σωματίδια ύλης (π.χ. ηλεκτρόνια, πρωτόνια κλπ.). Συνεπώς, από φυσική άποψη, το φως δεν είναι ύλη στην παραδοσιακή έννοια, αλλά είναι ένα πραγματικό όντο με ενέργεια, ορμή και τη δυνατότητα να αλληλεπιδρά με άλλη ύλη.

Στη σύγχρονη φυσική, το φως περιγράφεται ως μέρος ενός κβαντικού πεδίου φωτονίων που σε κάποιες περιπτώσεις συμπεριφέρεται ως σωματίδια και σε άλλες ως κύμα. Αυτή η διπλή φύση αντικατοπτρίζει τις βασικές αρχές της κβαντικής μηχανικής.