Τετάρτη, 8 Οκτωβρίου 2014

Ο καθηγητής Walter Lewin διδάσκει καπνίζοντας. Walter Lewin: The Professor Who Brings Physics to Life

Ο καθηγητής του ΜΙΤ Walter Lewin ανάβει ταυτόχρονα τρία τσιγάρα μέσα στην αίθουσα διδασκαλίας, την ώρα του μαθήματος! Γιατί; Physics works! Lewin smokes several cigarettes at a time to demonstrate Rayleigh scattering, the scattering of light by particles much smaller than the wavelength of the light. When he exhales smoke over an unpolarized light source, the extremely fine particles scatter the light, making the smoke appear blue.

(….) Στρέψτε το βλέμμα σας στον ουρανό και κάντε μερικές προφανείς ερωτήσεις; Γιατί ο ουρανός είναι γαλάζιος; Γιατί στο ηλιοβασίλεμα είναι κόκκινος; Γιατί τα σύννεφα είναι λευκά; Η φυσική έχει όλες τις απαντήσεις! Το ηλιακό φως συντίθεται από όλα τα χρώματα του ουράνιου τόξου. Και καθώς διαπερνά τη γήινη ατμόσφαιρα, σκεδάζεται (διασκορπίζεται) προς όλες τις κατευθύνσεις από τα μόριά της και από μικροσκοπικά σωματίδια σκόνης [πολύ μικρότερα σε διάμετρο από 1 μικρόμετρο (μm), το 1/1000 του χιλιοστομέτρου (mm)]. Το φαινόμενο ονομάζεται σκέδαση Rayleigh. Το γαλάζιο φως, λοιπόν, σκεδάζεται περισσότερο απ’ ό,τι τα υπόλοιπα χρώματα – περίπου πέντε φορές περισσότερο απ’ ό,τι το ερυθρό φως. Το αποτέλεσμα είναι ότι, κοιτάμε τον ουρανό στη διάρκεια της ημέρας, το γαλάζιο χρώμα υπερτερεί, οπότε ο ουρανός μας φαίνεται γαλάζιος. Αν κοιτάξουμε τον ουρανό από την επιφάνεια της Σελήνης – και ίσως να έχετε δει σχετικές φωτογραφίες – , αυτός φαίνεται μαύρος, όπως τον βλέπουμε εμείς από τη Γη στη διάρκεια της νύχτας. Γιατί; Διότι η Σελήνη δεν έχει ατμόσφαιρα.

Félix Vallotton, Coucher de soleil à Villerville, To lay down sun with Villerville, 1917, huile sur toile, 55,5x97 cm.

Γιατί το ηλιοβασίλεμα είναι κόκκινο; Για τον ίδιο λόγο που ο ουρανός είναι γαλάζιος. Όταν ο ήλιος βρίσκεται στο ύψος του ορίζοντα, οι ακτίνες του φωτός, για να φθάσουν σε εμάς, πρέπει να διανύσουν μεγαλύτερη απόσταση εντός της ατμόσφαιρας• έτσι, το πράσινο, το γαλάζιο και το ιώδες φως σκεδάζονται πολύ περισσότερο – φιλτράρονται, ουσιαστικά – , οπότε δεν καταφέρνουν να διαπεράσουν την ατμόσφαιρα και να περιλούσουν τα σύννεφα υπεράνω μας. Συνεπώς, στα μάτια μας εισέρχεται κυρίως πορτοκαλοκόκκινο φως – και σε κάθε ηλιοβασίλεμα και ανατολή, ο ουρανός μοιάζει να φλέγεται.

Eugen Bracht, Nuages sur les landes de Lunebourg, 1895. Huile sur Toile, 117x170,5 cm, Karlsruhe, Staatliche Kunsthalle.

Γιατί τα σύννεφα είναι λευκά; Οι σταγόνες του νερού στα σύννεφα ξεπερνούν κατά πολύ σε διαστάσεις τα μικροσκοπικά σωματίδια που κάνουν τον ουρανό να φαίνεται γαλάζιος. Όταν λοιπόν το ηλιακό φως διασκορπίζεται από τα υδροσταγονίδια, όλα τα χρώματα σκεδάζονται ισόποσα – και αυτό δίνει το λευκό χρώμα στα σύννεφα. Αν τα σύννεφα είναι πολύ πυκνά σε υδρατμούς ή αν βρίσκονται στη σκιά άλλων σύννεφων, τότε το φως δεν μπορεί να τα διαπεράσει, οπότε φαίνονται μαύρα και σκοτεινά.

Μια από τις επιδείξεις που λατρεύω είναι να δημιουργώ «γαλάζιο ουρανό» στις διαλέξεις μου. Σβήνω όλα τα φώτα και ρίχνω μια λεπτή δέσμη λευκού φωτός προς την οροφή της αίθουσας πλάι στον μαυροπίνακα (φροντίζω να καλύψω προσεκτικά την πηγή φωτός). Κατόπιν ανάβω μερικά τσιγάρα και τα κρατώ μέσα στη δέσμη φωτός. Τα σωματίδια του καπνού είναι αρκετά μικρά και έτσι δημιουργούν σκέδαση Rayleigh• και καθώς το γαλάζιο φως σκεδάζεται περισσότερο, οι φοιτητές βλέπουν τον καπνό γαλάζιο. Και συνεχίζω την επίδειξη: αφού ρουφήξω δυνατά το τσιγάρο και συγκρατήσω τον καπνό στους πνεύμονές μου επί ένα περίπου λεπτό – κάτι όχι και τόσο εύκολο – , φυσώ τον καπνό προς τη δέσμη του φωτός, οπότε τώρα φαίνεται λευκός• έχω δημιουργήσει ένα λευκό σύννεφο! τα μικροσκοπικά σωματίδια καπνού, όσο παρέμειναν στους πνεύμονές μου, μεγάλωσαν, διότι οι υδρατμοί που περιέχονται στους πνεύμονες προσκολλήθηκαν επάνω τους. Έτσι, όλα τα χρώματα σκεδάζονται ισοδύναμα και ο καπνός φαίνεται λευκός. Η αλλαγή χρώματος σε λευκό είναι όντως εκπληκτική!

Με την επίδειξη αυτή απαντώ σε δυο ερωτήσεις ταυτόχρονα: Γιατί ο ουρανός είναι γαλάζιος και γιατί τα σύννεφα είναι λευκά.(…)

Απόσπασμα από το βιβλίο των Walter Lewin και Warren Goldstein, “Για την αγάπη της Φυσικής“, εκδόσεις ΚΑΤΟΠΤΡΟ.