Το Καθιερωμένο Πρότυπο - Standard Model

 Τι είναι το Καθιερωμένο Πρότυπο για τη Φυσική;

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) είναι η καλύτερη θεωρία που έχουν αυτή τη στιγμή οι φυσικοί για να περιγράψουν τα βασικά συστατικά του σύμπαντος. 

Είναι ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της επιστήμης του εικοστού αιώνα. 

Τα πάντα γύρω μας, λέει η θεωρία αυτή, είναι φτιαγμένα από σωματίδια - τα κουάρκ και τα λεπτόνια - ενώ τέσσερις δυνάμεις επιδρούν σ' αυτά.

Το "Καθιερωμένο Πρότυπο" ολοκληρώθηκε την δεκαετία του 1970 και μια μεγάλη σειρά πειραμάτων αργότερα, επιβεβαίωσαν όλες τις προβλέψεις του (εκτός του ότι τα νετρίνα δεν έχουν μάζα). Η οριστική επιβεβαίωση ήρθε το 2013 με την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs. 
Αδυναμία του Καθιερωμένου Προτύπου είναι η περιγραφή της "Σκοτεινής ύλης" και της βαρύτητας  που να συμφωνεί με την καμπύλωση του χωροχρόνου της γενικής σχετικότητας.

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο, δομικοί λίθοι του Σύμπαντος είναι τα:

 

Στοιχειώδη Σωματίδια (Elementary particle)

Τα στοιχειώδη σωματίδια είναι φερμιόνια ή μποζόνια.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο εξηγεί το πώς αλληλεπιδρούν τα βασικά δομικά στοιχεία της ύλης, που διέπονται από τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις.

Ένα ταξίδι στο CERN, το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Σωµατιδιακής Φυσικής , που έγινε το 2020 με μαθητές από το 4ο ΓΕΛ Π. Φαλήρου, ήταν η αφορμή για να γνωρίσουμε το Καθιερωμένο Πρότυπο και τα Στοιχειώδη Σωματίδια, να σχεδιάσουμε  το χρονικό των ανακαλύψεων των στοιχειωδών σωματιδίων - "Από το άτομο στα κουάρκ" και να προσπαθήσουμε να φανταστούμε και να ζωγραφίσουμε τα στοιχειώδη σωματίδια με βάση τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητές τους. Όλες οι προσπάθειές μας οργανώθηκαν στην εφαρμογή padlet και θα τις βρείτε  στον παρακάτω σύνδεσμο:

Το Καθιερωμένο Πρότυπο - Standard Model

Τέλος, δημιουργήσαμε την αφίσα του Καθιερωμένου Προτύπου που βλέπετε στην αρχική εικόνα.

Σ' αυτή την προσπάθεια, πηγές γνώσης και αναφοράς ήταν:

Το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων - CERN  

Η Ελληνική Ομάδα Εκλαϊκευσης

τμήμα της ΙNTERNATIONAL PARTICLE PHYSICS OUTREACH GROUP (IPPOG)

Τα LHC@InternationalMasterclasses

και τα αντίστοιχα λήματα της Wikipedia

Οι ηλεκτρικοί λαμπτήρες των δρόμων γίνονται πίνακας ζωγραφικής

 "Ηλεκτρικά πρίσματα" ονομάζεται το έργο ζωγραφικής της  Sonia Delaunay που δημιούργησε το 1914. Είναι λάδι σε καμβά, διαστάσεων 250 x 250 cm. Βρίσκεται στο Μουσείο Μοντέρνας Τέχνης, Κέντρο Pompidou, στο Παρίσι. 

Η Sonia Delaunay (1885-1979) ήταν Ρωσίδα ζωγράφος, εικονογράφος και σχεδιαστής υφασμάτων, η οποία πέρασε το μεγαλύτερο μέρος της επαγγελματικής της ζωής στο Παρίσι. Η Sonia Delaunay συνδύασε το χρώμα και το σχήμα με κάθε δυνατό τρόπο. Μαζί με τον άντρα της  Robert Delaunay ίδρυσαν το καλλιτεχνικό κίνημα Orphism (=ορφισμός), γνωστό για τη χρήση δυνατών χρωμάτων και γεωμετρικών σχημάτων. 

Μια βόλτα των δυο τους στη λεωφόρο Saint-Michel στο Παρίσι, αποτέλεσε το έναυσμα για τη δημιουργία του έργου. Οι ηλεκτρικοί λαμπτήρες του δρόμου που είχαν τοποθετεί πρόσφατα έγιναν πηγή έμπνευσης. Η Delaunay προσπάθησε στο έργο της να αναδημιουργήσει τη λάμψη των φώτων και να αποτυπώσει με τις έγχρωμες ημικυκλικές γραμμές τον τρόπο που τα τεχνητά φώτα ρίχνουν χρώματα στο πεζοδρόμιο.

Πηγή εικόνας:

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Sonia_Delaunay,_1914,_Prismes_%C3%A9lectriques,_oil_on_canvas,_250_x_250_cm,_Mus%C3%A9e_National_d%27Art_Moderne.jpg

Το φαινόμενο της κρούσης και το μπιλιάρδο

Η έννοια της κρούσης στη Φυσική

Κρούση ονομάζουμε το φαινόμενο κατά το οποίο δύο ή περισσότερα σώματα έρχονται σε επαφή για πολύ μικρό χρονικό διάστημα κατά το οποίο τα σώματα αλληλοεπιδρούν με ισχυρές δυνάμεις, με αποτέλεσμα την απότομη μεταβολή της κινητικής τους κατάστασης.

Στην κρούση 2 σωμάτων μπορεί να έχουμε περίπτωση όπου το ένα από τα δυο σώματα κινείται και το άλλο είναι ακίνητο ή να κινούνται και τα δυο. Μετά από μια κρούση μεταβάλλεται η κινητική κατάσταση των σωμάτων. Η κρούση είναι ελαστική όταν η κινητική ενέργεια  του συστήματος των σωμάτων που μετέχουν στο φαινόμενο διατηρείται και ανελαστική όταν ένα μέρος της ενέργειας αυτής μετατρέπεται σε θερμότητα.

Το φαινόμενο της κρούσης στο μπιλιάρδο

Αυτό που συμβαίνει στο μπιλιάρδο είναι διαδοχικές κρούσεις μεταξύ των μπαλών. Μια τέτοια κρούση μπορεί να είναι μετωπική (οι ταχύτητες των κέντρων μάζας των σωμάτων πριν την κρούση έχουν την ίδια διεύθυνση), έκκεντρη ( οι ταχύτητες των κέντρων μάζας των σωμάτων πριν την κρούση έχουν παράλληλες διευθύνσεις) ή πλάγια (οι ταχύτητες των κέντρων μάζας των σωμάτων πριν την κρούση έχουν τυχαίες διευθύνσεις).

Ένα φαινόμενο της Φυσικής ... ένας πίνακας ζωγραφικής

Το μπιλιάρδο (τραπέζι, μπάλες, στέκα)

"Pool Parlor" (1942) του Αφρο - Αμερικανού ζωγράφου Jacob Lawrence (1917 - 2000), Μητροπολιτικό Μουσείο Τέχνης, Νέα Υόρκη, ΗΠΑ.

Πηγή εικόνας:

https://www.metmuseum.org/art/collection/search/488043

Κόμικς (9η Τέχνη) και Φυσική

Κόμικς ή εικονογραφήματα, ονομάζουμε αστείες ή περιπετειώδεις ιστορίες σε σκίτσα, που συνοδεύονται από πολύ σύντομο κείμενο, καθώς και από τους διαλόγους των προσώπων.

(Λεξικό της κοινής νεοελληνικής)

Ο όρος «κόμικς» μοιάζει ξενόφερτος. Όμως προέρχεται από την συντόμευση των λέξεων  «comic stories» οι οποίες είναι ελληνικές λέξεις: κωμικές ιστορίες.

Για να υπάρξει κόμικς πρέπει να υπάρχουν διαδοχικές εικόνες όπου η μία συνεχίζει το νόημα της άλλης. Το κείμενο που συνοδεύει την εικόνα συνήθως τοποθετείται σε «συννεφάκια κειμένου» ή ως περιγραφή σε λεζάντες. Πρωταρχικά χαρακτηριστικά του κόμικς είναι η εικόνα, η λιτή γλώσσα και το χιούμορ.

Μία ιστορία κόμικς είναι πάντα τυπωμένη σε χαρτί. Έτσι το κόμικς αποτελεί μορφή έκφρασης και μορφή οπτικής  τέχνης αφήγησης. Η γοητεία  του προέρχεται από τον αφηγηματικό δυναμισμό των εικόνων και η επικοινωνιακή δύναμή τους μπορεί να αξιοποιηθεί με πολλούς τρόπους.

Ανάλογα με τη μορφή και τη θεματολογία τους, τα κόμικς διακρίνονται σε διάφορα είδη και ένα από αυτά είναι τα επιστημονικά κόμικς που σχεδιάστηκαν και αναπτύχθηκαν με στόχο να βοηθήσουν στην κατανόηση επιστημονικών εννοιών και θεμάτων. Ο συνδυασμός της επιστημονικής γνώσης με ένα σχέδιο κόμικς οδηγεί σε καινοτόμες λύσεις για την επικοινωνία της επιστήμης και προσφέρει ένα αποτελεσματικό όχημα για την παροχή επιστημονικής γνώσης.

Φυσική και κόμικς

«Τα πάντα για τη Φυσική» είναι ο τίτλος  ενός βιβλίου με κόμικς.  Το βιβλίο γράφτηκε το 1991 από τους Αμερικανούς Art Huffman και  Larry Gonick με τον πρωτότυπο τίτλο: «The Cartoon Guide to Physics».

Απευθύνεται σε άτομα που θέλουν να γνωρίσουν τις έννοιες της φυσικής και είναι μεγαλύτερα από 14 ετών.  Το 1998 το βιβλίο μεταφράστηκε και κυκλοφορεί στα ελληνικά από τις εκδόσεις Κάτοπτρο.

Οι νόμοι του Νεύτωνα • Βολές • Κίνηση δορυφόρων και συνθήκες έλλειψης βαρύτητας • Ορμή, ώθηση και κρούσεις • Ενέργεια • Περιστροφή • Το μήλο και η Σελήνη • Περί σχετικότητας • Ηλεκτρικά πεδία και πυκνωτές • Μαγνητικό πεδίο • Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή • Συνεχές και εναλλασσόμενο ρεύμα • Οι εξισώσεις του Maxwell • Φως • Η κβαντική ηλεκτροδυναμική, όλα παρουσιάζονται με τρόπο πνευματώδη και χιουμοριστικό.

 Ένα σκίτσο για τον Αϊνστάιν 

Το Νοέμβριο του 1915, ο Albert Einstein δημοσίευσε την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας για τη Βαρύτητα και την καμπύλωση του χωροχρόνου, σε τέσσερις σύντομες εργασίες στα πρακτικά της Πρωσικής Ακαδημίας Επιστημών στο Βερολίνο.

Σε ένα άρθρο των Michel Janssen και Jürgen Renn με τίτλο: "Einstein was no lone genius" / Ο Αϊνστάιν δεν ήταν η μόνη ιδιοφυία, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό "Nature" το Νοέμβριο του 2015, περιέχεται το σκίτσο του Laurent Taudin.

Σε αυτό παρουσιάζεται ο Αϊνστάιν να στηρίζεται στους ώμους γιγάντων φυσικών και μαθηματικών  όπως είναι ο Isaac Newton, ο James Clerk Maxwell, ο Carl Friedrich Gauss, ο Bernhard Riemann αλλά και σε συνεργάτες του επιστήμονες λιγότερο γνωστούς  όπως οι Marcel Grossmann, Gunnar Nordström, Erwin Finlay Freundlich και Michele Besso.

Στο σκίτσο απεικονίζονται ακόμα η ελίτ των φυσικών του Βερολίνου την εποχή εκείνη (Fritz Haber, Walther Nernst, Heinrich Rubens, Max Planck) και  οι δύο οικογένειες του Αϊνστάιν, η πρώτη του γυναίκα Mileva Einstein-Marić  με τους γιούς του Eduard και Hans Albert καθώς και η δεύτερη γυναίκα του  Elsa Einstein-Löwenthal  με τις κόρες της Ilse και Margotinste.

Το πείραμα του  Δανού φυσικού Oersted με το οποίο αποκαλύφθηκε η σχέση ηλεκτρισμού και μαγνητισμού σε κόμικς.

Δημιουργός: Κωστής Ορφανόπουλος, 2017

Πηγές φωτογραφιών

https://katoptro.gr/katigories/epistimi-kai-komiks/ta-panta-gia-ti-fysiki-detail

https://www.nature.com/articles/527298a

Φωτογραφία (8η Τέχνη) και Φυσική

Φωτογραφία ονομάζεται η μέθοδος, η τεχνική με την οποία αποτυπώνεται μόνιμα μια εικόνα (αντικειμένου, προσώπου, χώρου κτλ.) επάνω σε μια φωτοευπαθή επιφάνεια (χαρτί, φιλμ, πλάκα κτλ.).

Φωτογραφία είναι ακόμα η εικόνα που παράγεται με την παραπάνω μέθοδο.

(Λεξικό της κοινής νεοελληνικής)

Με τον όρο φωτογραφία αναφερόμαστε στην τέχνη αλλά, και στην επιστήμη της δημιουργίας οπτικών εικόνων μέσω της αποτύπωσης του φωτός, με χρήση κατάλληλων συσκευών, τις φωτογραφικές μηχανές (τεχνική).

Ετυμολογικά, η λέξη φωτογραφία είναι σύνθετη και προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις «φως» και «γραφή».

Ο όρος «φωτογραφία» επινοήθηκε το 1839 από τον Sir John Herschel, Άγγλο μαθηματικό, αστρονόμο, χημικό και πειραματικό φωτογράφο με πολλές και σημαντικές συνεισφορές στην εξέλιξη της φωτογραφίας.

Θεωρητικά η φωτογραφία θα μπορούσε να χωριστεί σε δύο βασικά είδη:

Την εφαρμοσμένη φωτογραφία (ειδησεογραφική φωτογραφία, ταξιδιωτική φωτογραφία, αρχιτεκτονική φωτογραφία, διαφημιστική φωτογραφία, φωτογραφία μόδας, επιστημονική φωτογραφία, αστροφωτογραφία) και την καλλιτεχνική φωτογραφία (φωτογραφία δρόμου, πορτρέτο κ. ά.)

Πως όμως η φωτογραφία συνδέεται με τη φυσική επιστήμη;

Η φωτογραφία είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με τη φυσική γιατί γεννήθηκε ως προϊόν επιστημονικής και τεχνολογικής εξέλιξης και γιατί σε όλες τις πτυχές της (φωτογραφική μηχανή, χρήση φακών, λειτουργία κάμερας, δημιουργία φιλμ, διαδικασία εκτύπωσης, κ. ά. ) γίνεται χρήση θεμάτων φυσικής και χημείας.  Φωτογραφία σημαίνει «τέχνη της παρατήρησης» και επομένως καταγραφή του φωτός, δηλαδή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η φωτογραφία είναι φως και σκιά, είναι χρώμα, εξαρτάται από την έκθεση και την ταχύτητα, τη χρήση φακών, την εστίαση και την απόσταση, την προοπτική, υπάρχει αντικείμενο και είδωλο. Το φως, στοιχείο κάθε φωτογραφίας,  κατά  τη διάδοσή του σ’ ένα μέσο ακολουθεί «αρχές» και «νόμους». Έτσι διαδίδεται ευθύγραμμα, ανακλάται, διαθλάται, πολώνεται, σκεδάζεται.

Στη φωτογραφική διαδικασία διακρίνουμε δυο φάσεις:

• Το σχηματισμό εικόνας στο σκοτεινό θάλαμο.
• Την αναπαραγωγή της εικόνας (ασπρόμαυρη ή έγχρωμη) με την εκμετάλλευση φωτοχημικών αντιδράσεων. Η «ιστορία της φωτογραφίας» είναι οι προσπάθειες τελειοποίησης των παραπάνω φάσεων.

Σημαντικοί σταθμοί στη εξέλιξη της φωτογραφίας είναι:

Ο σκοτεινός θάλαμος - camera obscura (στα Λατινικά)

Σύμφωνα με τους μελετητές η λειτουργία του ήταν γνωστή στους αρχαίους Αιγύπτιους και στον Αριστοτέλη που κατανόησε την οπτική αρχή του «σκοτεινού θαλάμου». Τον 10^ο μ. Χ. αιώνα, ο Άραβας φιλόσοφος, επιστήμονας, μαθηματικός, αστρονόμος και φυσιοδίφης, Αλχαζέν ή Αμπού Αλί αλ-Χασάν ιμπν αλ-Χασάν ιμπν αλ-Χάιταμ,  περιέγραψε αναλυτικά την αρχή λειτουργίας της  camera obscura. Αυτή αποτελείται από έναν σκοτεινό θάλαμο που φέρει μια μικρή οπή στη μια πλευρά του ενώ στην απέναντι πλευρά διαθέτει μια γυαλιστερή επιφάνεια.  Όταν το ελάχιστο φως εισέρχεται στο θάλαμο από την οπή και οι ακτίνες του ταξιδεύουν ευθεία, σχηματίζεται πάνω στην απέναντι επιφάνεια μία εικόνα, ένα είδωλο των όσων διαδραματίζονται εκτός του θαλάμου που είναι αντεστραμμένο. Το πρόβλημα αρχικά ήταν, ότι δεν υπήρχε τρόπος να διατηρηθεί μόνιμα αυτή η εικόνα.  Για τους επόμενους αιώνες πολλοί ασχολήθηκαν με την camera obscura και πειραματίστηκαν για τη βελτίωσή της, προσθέτοντας διπλό κοίλο φακό, διάφραγμα, κοίλο φακό για την ανόρθωση του ειδώλου, σύστημα φακών διαφορετικών εστιακών αποστάσεων και επιπλέον έγιναν διαθέσιμα πιο φορητά μοντέλα. 

Χαρακτικό με την camera obscura και την αρχή λειτουργίας της στο βιβλίο «Ars Magna Lucis et Umbrae» (Η Μεγάλη Τέχνη του Φωτός και της Σκιάς) του Athanasius Kircher που εκδόθηκε στη Ρώμη το 1646.

Η αποτύπωση της εικόνας

Από το 18^ο αιώνα χρονολογούνται τα πρώτα πειράματα, ώστε να αποτυπωθεί μόνιμα μια εικόνα πάνω σε μια φωτοευαίσθητη επιφάνεια. Ο Γάλλος Nicéphore Niépce ανέπτυξε μια τεχνική, την ηλιογραφία ( γαλ. Héliographie) με την οποία κατάφερε το 1827, χρησιμοποιώντας μια camera obscura, να τραβήξει την «Πρώτη  φωτογραφία μιας πραγματικής σκηνής».

Η πρώτη φωτογραφία: «Η θέα από το παράθυρο στο Le Gras».

Ένας άλλος Γάλλος, ο Louis Daguerre, επινόησε τη μέθοδο της «Δαγκεροτυπίας / Daguerreotype», δηλαδή της εμφάνισης εικόνων χωρίς αρνητικό σε φωτοευαίσθητο χαρτί και την οποία ανακοίνωσε και επίσημα το 1839 στην Ακαδημία Επιστημών και στην Ακαδημία Καλών Τεχνών στο Παρίσι. Θεωρείται ο εφευρέτης της φωτογραφίας. Ο ίδιος τράβηξε και την πρώτη φωτογραφία στην οποία απεικονίζεται άνθρωπος.

«Boulevard du Temple»

Είναι η φωτογραφία ενός πολυσύχναστου δρόμου στο Παρίσι. Έχει ληφθεί από ένα παράθυρο στο στούντιο του Daguerre το 1838 με τη μέθοδο της δαγκεροτυπίας και είναι η κατοπτρική εικόνα ( έχει αντιστραφεί από τα δεξιά προς τ’ αριστερά.) Επειδή η έκθεση κράτησε για  5 - 10 λεπτά, η κινούμενη κίνηση δεν άφησε κανένα ίχνος. Μόνο οι δύο άντρες κοντά στην κάτω αριστερή γωνία, έμειναν σε ένα μέρος αρκετή ώρα για να είναι ορατοί.

Λίγο νωρίτερα, ο Άγγλος William Henry Fox Talbot είχε φτάσει στα ίδια αποτελέσματα με τον  Daguerre, αλλά άργησε να τα δημοσιεύσει. Δυο χρόνια όμως αργότερα, το 1841, ανακάλυψε τη διαδικασία της «καλοτυπίας» / Calotype (ονομάζεται και ταλμποτυπία / talbotype). Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή ο  Talbot διαπότιζε ένα φύλλο χαρτί με ιωδιούχο άργυρο  το οποίο μαύριζε όταν έπεφτε πάνω τους φως και έτσι σχηματίζονταν αρνητικά είδωλα. Στη συνέχεια με την ίδια τεχνική, από το αρνητικό είδωλο μπορούσε να πάρει απεριόριστο αριθμό θετικών αντιγράφων. Οι όποιες ατέλειες του αρνητικού της καλοτυπίας, σταδιακά περιορίστηκαν με την παράλληλη εξέλιξη της τεχνικής και ειδικότερα με τη χρήση ειδικών γυάλινων πλακών, αρχικά υγρών και αργότερα ξηρών, οι οποίες έπαιζαν τον ρόλο των σύγχρονων φιλμ και υποκαθιστούσαν όλα τα χημικά που απαιτούνταν παλαιότερα. Τα επόμενα χρόνια, η εξέλιξη της φωτογραφίας οφείλεται στη βελτίωση των υλικών και των φωτοευαίσθητων επιφανειών.

Η πρώτη έγχρωμη φωτογραφία

Η πρώτη φωτογραφία χρώματος αποτέλεσε γεγονός το 1861 χάρη σε έναν Σκωτσέζο  Φυσικό, τον James Clerk Maxwell. Η δημιουργία της στηρίχθηκε στη μέθοδο των τριών χρωμάτων που πρότεινε για πρώτη φορά ο Maxwell το 1855. Ο Maxwell έβαλε τον Άγγλο φωτογράφο Thomas Sutton να φωτογραφίσει μια σκωτσέζικη καρό κορδέλα τρεις φορές, χρησιμοποιώντας κάθε φορά  διαφορετικόχρωματικό φίλτρο (κόκκινο , πράσινο και μπλε) πάνω από το φακό. Οι τρεις φωτογραφίες  εκτυπώθηκαν σε γυαλί και στη συνέχεια προβλήθηκαν σε οθόνη με τρεις διαφορετικούς προβολείς, ο καθένας εξοπλισμένος με το ίδιο φίλτρο χρώματος που χρησιμοποιήθηκε για τη φωτογράφισή τους. Όταν τοποθετήθηκαν πάνω στην οθόνη, οι τρεις εικόνες σχημάτισαν μια έγχρωμη εικόνα. Σήμερα, αυτές οι τρεις φωτογραφικές πλάκες βρίσκονται σε ένα μικρό μουσείο στο Εδιμβούργο, το σπίτι όπου γεννήθηκε ο Maxwell.

Εμπορική ανάπτυξη της φωτογραφίας

Το 1888, ο Αμερικανός επιχειρηματίας George Eastman, ιδιοκτήτης εταιρείας που κατασκεύαζε φωτογραφικές πλάκες και φωτογραφικό χαρτί, προώθησε στην αγορά μια φωτογραφική μηχανή ελαφριά και εύκολη στη χρήση. Ήταν μια μηχανή-κουτί με δερμάτινη επένδυση και ενσωματωμένο φιλμ σε ρολό για λήψη 100 φωτογραφιών. Την ονόμασε «Kodak». Με την Kodak, η φωτογραφία έγινε προσβάσιμη στο ευρύ κοινό, ξεκινώντας τη σύγχρονη εποχή της καταναλωτικής φωτογραφίας.

 Ευρεσιτεχνία ΗΠΑ  με αρ. 388.850, που εκδόθηκε στον George Eastman στις 4 Σεπτεμβρίου 1888, για την κινηματογραφική του κάμερα και το φιλμ σε ρολό.

Σε όλο τον 20^ο αιώνα η φωτογραφία βελτιώθηκε με τη δημιουργία του έγχρωμου φιλμ, τη χρήση ηλεκτρονικού φλας, την εφεύρεση των στιγμιαίων φωτογραφικών μηχανών, την διοργάνωση φωτογραφικών εκθέσεων και φυσικά την ανακάλυψη της ψηφιακής φωτογραφικής μηχανής. Στον 21^ο αιώνα, οι ψηφιακές μηχανές αποτελούν ευρύτατα διαδεδομένα καταναλωτικά προϊόντα, ενώ συνεχίζουν να εξελίσσονται. Ένα από πλεονεκτήματα της ψηφιακής φωτογραφίας, είναι και η εύκολη σχετικά, δυνατότητα επεξεργασίας της με ψηφιακά μέσα. Σήμερα, οι προσπάθειες βελτίωσης συνεχίζονται παράλληλα και στην ψηφιακή και στην αναλογική εικόνα.

Η φωτογραφία, πέρα από την τεχνολογική της διάσταση και την εξέλιξή της παράλληλα με την εξέλιξη της επιστήμης, αναγνωρίζεται ως ένα από τα πιο διαδεδομένα μέσα επικοινωνίας, τρόπος δημιουργικής έκφρασης, καθώς και ως μία μορφή τέχνης συγγενική με τη ζωγραφική.

Η «Φυσική» μέσα σε μια φωτογραφία

Ι. Επιστημονική φωτογραφία

Είναι η φωτογραφία που μας δίνει πληροφορίες για την επιστήμη και συνήθως παρέχει βοήθεια στις επιστημονικές έρευνες. Μπορεί να είναι κανονική φωτογραφία, μακροφωτογραφία (η λήψη του θέματος γίνεται από πολύ μικρή απόσταση με τη βοήθεια ειδικών φακών), ή μικροφωτογραφία (τα θέματα δεν είναι ορατά με γυμνό μάτι και για τη λήψη της χρησιμοποιείται συνηθισμένο ή ηλεκτρονικό μικροσκόπιο).

Πηνίο Tesla στο Questacon, το Εθνικό Κέντρο Επιστήμης και Τεχνολογίας στην Καμπέρα της Αυστραλίας. Το πηνίο Tesla  χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης , χαμηλού ρεύματος  και υψηλής συχνότητας εναλλασσόμενου ρεύματος. Το υψηλό ηλεκτρικό πεδίο αναγκάζει τον αέρα γύρω από τον ακροδέκτη υψηλής τάσης να ιονίζεται και να άγει ηλεκτρισμό, επιτρέποντας τη διαρροή ηλεκτρικής ενέργειας στον αέρα σε πολύχρωμες εκκενώσεις κορώνας , εκκενώσεις βούρτσας και τόξα ροής .

Μακροφωτογραφία με λεπτομέρειες από το εσωτερικό ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως. Παρατηρείται και η φωτοβολία του νήματος βολφραμίου. 

Μικροφωτογραφία νιφάδας χιονιού που φωτογράφισε το 1890 ο Αμερικανός μετεωρολόγος και φωτογράφος Wilson A. Bentley (1865 – 1931).

ΙΙ. Αστροφωτογραφία

Είναι η φωτογραφική απεικόνιση αντικειμένων του νυχτερινού ουρανού και περιλαμβάνει τις θεματικές κατηγορίες:

Αστροφωτογραφίες αντικειμένων βαθέως ουρανού δηλαδή ουράνια αντικείμενα έξω από το ηλιακό μας σύστημα όπως, αστρικά σμήνη, γαλαξίες και νεφελώματα.

Αστροφωτογραφίες του ηλιακού μας συστήματος με εικόνες του ηλίου, της σελήνης, των πλανητών και των κομητών.

Αστροφωτογραφίες τοπίου με όψεις του νυχτερινού ουρανού.

Κάθε θεματική κατηγορία της αστροφωτογραφίας, απαιτεί ειδικό εξοπλισμό και τεχνικές για να βγει σωστή μια φωτογραφία.

Στα μέσα του 19^ου αιώνα, η αστροφωτογραφία αναπτύχθηκε ως επιστημονικό εργαλείο και χρειάστηκε να ξεπεραστούν πολλά τεχνολογικά προβλήματα.

Σήμερα η αστροφωτογραφία αποτελεί ένα δημοφιλές χόμπι μεταξύ των φωτογράφων και των ερασιτεχνών αστρονόμων.

Η πρώτη φωτογραφία έκλειψης ηλίου με το ηλιακό στέμμα, τραβήχτηκε στις 28 Ιουλίου 1851, από τον Johann Julius Friedrich  Berkowski στο Παρατηρητήριο  Königsberg (της ομώνυμης τότε πρωσικής πόλης). Χρησιμοποιήθηκε το τηλεσκόπιο  και η μέθοδος της δαγκεροτυπίας για την εκτύπωσή της.

Ο γαλαξίας της Ανδρομέδας  ή Μ31. Είναι ένας σπειροειδής γαλαξίας στον αστερισμό της Ανδρομέδας και απέχει 2,5 εκατομμύρια έτη φωτός από τη γη.

Αστροφωτογραφία με το  βόρειο σέλας στο χωριό Nellim στην όχθη της λίμνης Inari, Λαπωνία, Φιλανδία.

ΙΙΙ. Φωτογραφίες με Ατμοσφαιρικά οπτικά φαινόμενα

Τα διάφορα οπτικά φαινόμενα στην ατμόσφαιρα, οφείλονται στη διάθλαση, ανάκλαση, διάχυση, περίθλαση και απορρόφηση πού υφίσταται η ορατή ακτινοβολία καθώς εισέρχεται στην ατμόσφαιρα τής Γης. Τέτοια φαινόμενα είναι:

Το μπλε χρώμα του ουρανού, το λυκαυγές (ανατολή ηλίου) και το λυκόφως (δύση ηλίου), το ουράνιο τόξο, ο θολός ουρανός, η Ζώνη της Αφροδίτης, η Άλως /Halo - φωτοστέφανο γύρω από τον ήλιο ή τη σελήνη.

... και τα πιο εντυπωσιακά (και μερικά σπάνια), όπως:

Τα ιριδίζοντα σύννεφα, η σκοτεινή ζώνη του Αλέξανδρου, το ηλιακό στέμμα, το πολικό σέλας, η φάτα Μοργκάνα, τα Red Sprites, η πράσινη αναλαμπή, Shimmering («Διαμάντια» στην επιφάνεια της θάλασσας), πυλώνες φωτός, παρήλιο.

• Σκέδαση του φωτός. Γιατί ο ουρανός γίνεται κόκκινος την ανατολή ή το ηλιοβασίλεμα;

Το φως που έρχεται από τον Ήλιο είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και αποτελείται από τη σύνθεση πολλών διαφορετικών μηκών κύματος και ενώ φαίνεται λευκό,  αποτελείται από πολλά χρώματα. Το μεγαλύτερο μήκος κύματος έχει το κόκκινο, ενώ το μικρότερο μήκος κύματος έχει το μωβ και τα υπόλοιπα χρώματα (πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, μπλε) βρίσκονται ανάμεσά τους.

Καθώς το φως διέρχεται μέσα από την ατμόσφαιρα της Γης, η οποία αποτελείται από διάφορα συστατικά με κυριότερα το άζωτο και το οξυγόνο, τα φωτόνια (τα σωματίδια φωτός) σκεδάζονται ή εκτρέπονται από την πορεία τους από τα συστατικά της. Επειδή τα μόρια αυτά είναι πολύ μικρότερα από το μήκος κύματος του ορατού φωτός, το ποσοστό της σκέδασης εξαρτάται από το μήκος κύματος. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται σκέδαση Rayleigh.  

Καθώς ο ήλιος πάει να δύσει και βρίσκεται κοντά στον ορίζοντα, το φως του διανύει πολύ μεγαλύτερη απόσταση στην ατμόσφαιρα μέχρι να φτάσει στον παρατηρητή. Άρα υπάρχει πολύ μεγαλύτερη σκέδαση. Έτσι κατά το ηλιοβασίλεμα ο ουρανός είναι λιγότερο φωτεινός και εμφανίζεται διαδοχικά κίτρινος, πορτοκαλί και κόκκινος. Τελικά, επειδή κατά τη δύση ακόμα και τα πορτοκαλί μήκη κύματος σκεδάζονται κατά μεγάλο ποσοστό, το χρώμα που επικρατεί είναι το κόκκινο.

• Ζώνη της Αφροδίτης

Η Ζώνη της Αφροδίτης είναι ένα φαινόμενο που παρατηρείται κατά την ανατολή ή την δύση του ήλιου. Κατά τη διάρκεια αυτού, ο παρατηρητής περιβάλλεται από μια ροζέ λάμψη, που εκτείνεται 10° με 20° πάνω από τον ορίζοντα. Συχνά η λάμψη χωρίζεται από τον ορίζοντα από ένα σκούρο στρώμα, τη "Σκιά της Γης". Το Ανοικτό ροζ χρώμα του τόξου οφείλεται στην αναδιάχυση του κόκκινου  φωτός από την ανατολή ή τη δύση του Ηλίου.

• Το ουράνιο τόξο. Διπλό ουράνιο τόξο

Είναι ένα πολύχρωμο οπτικό και μετεωρολογικό φαινόμενο, κατά τo οποίο εμφανίζεται το φάσμα των χρωμάτων που συνθέτουν το ορατό φως στον ουρανό.

Το φαινόμενο εμφανίζεται όταν οι ακτίνες του ήλιου πέφτουν πάνω στα σταγονίδια βροχής στην ατμόσφαιρα της Γης και αποτελεί ένα παράδειγμα διάθλασης, μετά από ανάκλαση. Το κάθε χρώμα  διαθλάται υπό διαφορετική γωνία μέσα στα σταγονίδια, παθαίνει διαφορετική εκτροπή κι έτσι το ορατό λευκό φως αναλύεται στα διάφορα χρώματα που το συνθέτουν, δηλαδή στο φάσμα του. Έτσι εμφανίζεται το φάσμα του ηλιακού φωτός ως ένα πολύχρωμο τόξο, με το κόκκινο χρώμα να κυριαρχεί στην εξωτερική του πλευρά, και το ιώδες στην εσωτερική.

Μερικές φορές είναι πιθανό να δούμε στον ουρανό την ίδια στιγμή δύο ουράνια τόξα. Έτσι έχουμε το πρωτεύον ουράνιο τόξο που παράγεται από μία εσωτερική ανάκλαση και το δευτερεύον ουράνιο τόξο που προκύπτει από δύο εσωτερικές ανακλάσεις. Το δευτερεύον ουράνιο τόξο, εξαιτίας των δύο ανακλάσεων, στην ουσία αποτελεί την ανεστραμμένη μορφή του πρωτεύοντος ουράνιου τόξου (το μπλε χρώμα βρίσκεται στο εξωτερικό τόξο και το κόκκινο στο εσωτερικό). Τα δύο ουράνια τόξα συνδυάζονται και δημιουργούν μια σκοτεινή περιοχή μεταξύ τους, λόγω του διαφορετικού βαθμού ανάκλασης του φωτός, που ονομάζεται "Σκοτεινή Ζώνη του Αλέξανδρου" προς τιμήν του Αλέξανδρου του Αφροδίσιου, που πρώτος παρατήρησε το φαινόμενο το 200 μ.Χ.

• Περίθλαση σε CD

Η επιφάνεια ενός CD (cd=compact disk) είναι λεία και μπορεί να ανακλά το φως που πέφτει πάνω του. Στην επιφάνειά του έχουν "χαραχθεί" ομόκεντροι (ακριβέστερα σπειροειδείς) κύκλοι, τα tracks, που είναι οι γραμμές επάνω στις οποίες αποθηκεύονται κατά τη διαδικασία εγγραφής ενός CD, τα δεδομένα. Τα tracks στα κανονικά, μικρής χωρητικότητας CD απέχουν 1,6μm. Ένα τέτοιο σύστημα γραμμών αποτελεί ιδανικό φράγμα περίθλασης  για το φως που ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του CD. Τα φράγματα περίθλασης μπορούν να λειτουργήσουν όπως τα πρίσματα διαχωρίζοντας το φως στα χρώματα που το αποτελούν.

ΙV.  Χρονοφωτογραφία

Φωτογραφική τεχνική γνωστή από τα μέσα του 19^ου αιώνα που αποτυπώνει μια σειρά από διαδοχικές φάσεις  της κίνησης. Χρησιμοποιήθηκε για επιστημονικούς σκοπούς γιατί με τη βοήθεια της χρονοφωτογραφίας μπορούμε να πάρουμε μετρήσεις και να μελετήσουμε αντικείμενα σε κίνηση.

«Ιπτάμενος πελεκάνος», χρονοφωτογραφία από τον Étienne-Jules Marey, 1882.

Στροβοσκοπική φωτογραφία: Οι διαδοχικές θέσεις ενός αντικειμένου  απέχουν ίσα χρονικά διαστήματα.

Στροβοσκοπική φωτογραφία της κίνησης μιας σφαίρας προς ένα τραπουλόχαρτο. Τραβήχτηκε από τον Αμερικανό επιστήμονα Harold Edgerton στο ΜΙΤ το 1962, χρησιμοποιώντας στροβοσκοπικό εξοπλισμό.

V. Φωτογραφίες ενός πειράματος

Το φαινόμενο ολική εσωτερική ανάκλαση με τη βοήθεια μιας πράσινης δέσμης μονοχρωματικού φωτός από ένα λέιζερ.

«Το σπασμένο καλαμάκι» ή φαινόμενο διάθλασης στο πως φαίνεται το καλαμάκι που έχει βυθιστεί σε ένα ποτήρι νερό.

VΙ. Φωτογραφία με υπέρυθρο φιλμ

Το υπέρυθρο φως (infrared light)  ή υπέρυθρη ακτινοβολία (infrared radiation, IR),  είναι αόρατη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκτείνεται από εκεί που σταματά η ορατή ακτινοβολία, δηλαδή περίπου τα 700nm, μέχρι εκεί που ξεκινά η ακτινοβολία των μικροκυμάτων. Μια περιοχή της υπέρυθρης ακτινοβολίας, κοντά στο ορατό φως, (από 700 nm έως 900 nm), μπορεί να καταγραφεί με ειδικά φωτογραφικά φιλμ, έγχρωμα και ασπρόμαυρα.  Η υπέρυθρη ακτινοβολία απορροφάται και ανακλάται από τα αντικείμενα με ιδιαίτερο τρόπο και δημιουργεί μια άλλη οπτική πραγματικότητα που είναι ιδιαίτερα δημοφιλής στους καλλιτέχνες φωτογράφους.

Ασπρόμαυρη φωτογραφία με υπέρυθρο φιλμ. Τα δέντρα αποτυπώνονται λευκά γιατί η χλωροφύλλη της βλάστησης εκπέμπει υψηλή υπέρυθρη ακτινοβολία.  

Στο έγχρωμο υπέρυθρο φιλμ καταγράφεται μια άλλη διάσταση του κόσμου που μας περιβάλει. Ανάλογα με την ώρα που θα γίνει η λήψη τα αποτελέσματα αλλάζουν και τα τοπία παρουσιάζονται εξωπραγματικά.

Η υπέρυθρη φωτογράφιση χρησιμοποιείται για πολλούς επιστημονικούς σκοπούς. Με το υπέρυθρο το αόρατο γίνεται ορατό. Έτσι μπορούμε να φωτογραφίσουμε μη ορατά πράγματα λόγω απόστασης, ομίχλης και ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Η υπέρυθρη φωτογραφία χρησιμοποιείται ακόμα στις χαρτογραφήσεις, σε κτηματολογικές και δασικές υπηρεσίες, σε γεωλογικές μελέτες, στη μετεωρολογία, στην αποκατάσταση ξεθωριασμένων και φθαρμένων εγγράφων και έργων τέχνης, στην εγκληματολογία, στην ιατρική, στην αστροφωτογραφία.

VΙΙ. Φωτογραφία στο υπεριώδες

Υπεριώδης φωτογραφία είναι η διαδικασία παραγωγής φωτογραφιών με τη χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας (Ultraviolet – UV). Η υπεριώδης ακτινοβολία έχει μικρότερο μήκος κύματος από το ορατό φως και κυμαίνεται από 10 nm  έως 400 nm.

Η υπεριώδης φωτογραφία χρησιμοποιείται για επιστημονικούς, ιατρικούς και καλλιτεχνικούς σκοπούς. Έχει εφαρμογή: στην ιατρική και σε βιολογικές μελέτες, στη φασματοσκοπία, στην αστροφυσική, σε ορυκτές και παλαιοντολογικές μελέτες, στην εξακρίβωση πλαστών έργων τέχνης και εγγράφων, σε επιστημονικές έρευνες της αστυνομίας. 

Ο γαλαξίας της Ανδρομέδας σε υπεριώδη φωτογράφιση το 2003 από το διαστημικό τηλεσκόπιο της NASA, GALEX. Το τηλεσκόπιο αυτό σχεδιάστηκε για παρατηρήσεις του σύμπαντος σε υπεριώδη μήκη κύματος με στόχο τη μελέτη του σχηματισμού των άστρων στους γαλαξίες.

VΙΙΙ. Φωτογραφία με ακτίνες Χ

Φωτογραφική τεχνική στην οποία χρησιμοποιούνται ακτίνες Χ που μπορούν να αποκαλύψουν εσωτερικές λεπτομέρειες που δεν είναι ορατές εξωτερικά.

Οι ακτίνες Χ, είναι αόρατη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία πολύ μικρού μήκους κύματος με μεγάλη διεισδυτικότητα που χρησιμοποιούνται για ιατρικούς και επιστημονικούς σκοπούς.

Τέχνη με ακτίνες Χ: η φωτογράφιση λουλουδιών με ακτίνες Χ

Η φωτογράφιση με ακτίνες Χ είναι πολύ ιδιαίτερη και εντυπωσιακή γιατί αποκαλύπτει μια κρυμμένη πραγματικότητα που το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να δει. Γίνεται με τη χρήση κάμερας ακτίνων Χ που έχει κινδύνους για την υγεία και απαιτούνται εκτός από γνώσεις και μέτρα προστασίας από την ακτινοβολία.

Πηγές φωτογραφιών 

https://en.wikipedia.org/wiki/Camera_obscura#/media/File:1646_Athanasius_Kircher_-_Camera_obscura.jpg

en.wikipedia.org/wiki/View_from_the_Window_at_Le_Gras#/media/File:View_from_the_Window_at_Le_Gras,_Joseph_Nicéphore_Niépce.jpg

https://en.wikipedia.org/wiki/Louis_Daguerre#/media/File:Boulevard_du_Temple_by_Daguerre_(unmirrored).jpg

https://en.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell#/media/File:Tartan_Ribbon.jpg

https://en.wikipedia.org/wiki/George_Eastman#/media/File:George_Eastman_patent_no_388,850.png

https://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_coil

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:L%C3%A1mpara_de_incandescencia.jpg

https://en.wikipedia.org/wiki/Wilson_Bentley

https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Astronomical_photography

https://en.wikipedia.org/wiki/%C3%89tienne-Jules_Marey#/media/File:Marey_-_birds.jpg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Shockwave.jpg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Derekoy_01601_infrared.jpg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gaagzicht_(18553972165).jpg

https://en.wikipedia.org/wiki/Andromeda_Galaxy#/media/File:Andromeda_galaxy.jpg

https://unsplash.com/photos/3SWQCLmxH1U