Πως δημιουργείται ένας αντικατοπτρισμός;

Συχνές ερωτήσεις Νοέμβριος 2003

Όλοι έχουμε προσέξει κάποιες ζεστές καλοκαιρινές μέρες, καθώς ταξιδεύουμε με το αυτοκίνητο στο δρόμο, ότι μπροστά μας ο δρόμος εμφανίζεται σαν βρεγμένος παρόλο που γνωρίζουμε ότι είναι τελείως στεγνός. Το φαινόμενο αυτό λέγεται αντικατοπτρισμός.

Για να καταλάβουμε πως δημιουργείται ένας αντικατοπτρισμός, πρέπει πρώτα να καταλάβουμε πως διαδίδεται το φως στον αέρα. Αν ο αέρας έχει σε όλη του την έκταση την ίδια θερμοκρασία, - είτε είναι ψυχρός είτε είναι θερμός - το φως ταξιδεύει μέσα σ' αυτόν σε ευθεία γραμμή. Αν όμως υπάρχει μια σταθερή βαθμίδα θερμοκρασίας, το φως ακολουθεί μια καμπύλη πορεία προς τον ψυχρότερο αέρα.

Η εξήγηση της φυσικής γι αυτό το φαινόμενο είναι ότι ο ψυχρός αέρας έχει μεγαλύτερο δείκτη διάθλασης από το θερμό αέρα. Ως αποτέλεσμα τα φωτόνια ταξιδεύουν στον θερμό αέρα πιο γρήγορα απ' ότι στον ψυχρό γιατί ο ψυχρός είναι πυκνότερος.

Η εξήγηση της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής για το φαινόμενο αυτό είναι ότι τα φωτόνια που θα κινηθούν μεταξύ δύο συγκεκριμένων σημείων, ακολουθούν την διαδρομή εκείνη όπου χρειάζονται τον ελάχιστο χρόνο. Για να πάνε από ένα σημείο σ' ένα άλλο στον ελάχιστο χρόνο, τα φωτόνια ακολουθούν καμπύλες τροχιές, έστω κι αν αυτές έχουν συνολικό μήκος μεγαλύτερο από τις ευθείες. Εκείνο που θα συμβαίνει θα είναι η ελαχιστοποίηση του χρόνου. 

Οι αντικατοπτρισμοί είναι ένα άμεσο επακόλουθο της ιδιότητας των φωτονίων ν' ακολουθούν τη διαδρομή ελαχίστου χρόνου όταν ταξιδεύουν μέσα από αέρια μάζα που η θερμοκρασία μεταβάλλεται με το ύψος κατά σταθερή βαθμίδα.

Οι ιδανικές συνθήκες για αντικατοπτρισμό είναι όταν αέρια μάζα βρίσκεται ακίνητη πάνω από μια ζεστή επιφάνεια του εδάφους, η οποία απορροφά τις ακτίνες του ήλιου μια ζεστή καλοκαιρινή μέρα και θερμαίνεται.

Όταν υπάρχουν αυτές οι συνθήκες, ο αέρας που βρίσκεται πλησιέστερα προς την επιφάνεια είναι και ο πιο θερμός και ο λιγότερο πυκνός. Η πυκνότητα του αέρα προοδευτικά θα αυξάνει με το ύψος καθώς θα συναντάμε όλο και πιο ψυχρά στρώματα αέρα. Τα φωτόνια που προερχόμενα από τον ουρανό έρχονται προς το έδαφος, ακολουθούν μια καμπύλη πορεία προς τα μάτια του παρατηρητή.

Η οφθαλμαπάτη προέρχεται από το γεγονός ότι ο εγκέφαλός μας δεν δουλεύει με την κβαντική ηλεκτροδυναμική και αντιλαμβάνεται το φως να προέρχεται από την προέκταση της ευθείας της κατάληξης των ακτίνων που εισέρχονται στα μάτια μας.

Ένας παρατηρητής λοιπόν που κοιτάζει το δρόμο μπροστά του, μια ζεστή μέρα, θα βλέπει ουσιαστικά τον ουρανό αφού από εκεί προέρχονται οι ακτίνες που εισέρχονται στα μάτια του. Τα φωτόνια από τον ουρανό ακολουθούν την πορεία ελαχίστου χρόνου. Ο εγκέφαλός μας ερμηνεύει αυτό που βλέπει σαν νερά πάνω στο δρόμο γιατί το νερό ανακλά το φως από τον ουρανό κατά παρόμοιο τρόπο μ' αυτόν που συμβαίνει μέσω της κατακόρυφης βαθμίδας της θερμοκρασίας. 

Οι ακτίνες φωτός κάμπτονται και μας δίνουν αντικατοπτρισμό. Η ευθεία γραμμή από τον ουρανό προς τον παρατηρητή (μπλε) αντιστοιχεί στην ελάχιστη απόσταση. Η καμπύλη γραμμή (γκρι) είναι η πραγματική πορεία που ακολουθούν τα φωτόνια και αντιστοιχεί στον ελάχιστο χρόνο. Στο κατώτατο σημείο της γκρι γραμμής η γωνία πρόσπτωσης των φωτονίων από το αραιότερο προς το πυκνότερο στρώμα έχει γίνει πια τόσο μεγάλη ώστε ξεπερνάει την οριακή γωνία και  συμβαίνει ολική ανάκλαση. Με την ολική ανάκλαση το φως αρχίζει πάλι την πορεία του προς τα άνω, αυτή τη φορά όμως από αραιότερα προς πυκνότερα στρώματα, μέχρι να φτάσει στα μάτια του παρατηρητή. Η πράσινη γραμμή αντιπροσωπεύει την πορεία που ο εγκέφαλός μας νομίζει ότι έχει ακολουθήσει το φως. Αυτό δημιουργεί και τον αντικατοπτρισμό (δείχνεται με γαλάζιο χρώμα). 

Ένα απλό πείραμα μπορεί να μας δείξει τον τρόπο με τον οποίο η ακτίνα φωτός κάμπτεται μέσα από μια κατακόρυφη βαθμίδα πυκνότητας.

Γεμίζουμε μια επιμήκη γυάλινη λεκάνη με νερό και διαλύουμε μέσα εκεί ζάχαρη. Φωτίζουμε με μια δέσμη λέιζερ από τη μια άκρη της λεκάνης το νερό.

Η κατακόρυφη βαθμίδα πυκνότητας παράγεται από τη συγκέντρωση της ζάχαρης και κάνει τη δέσμη λέιζερ να κάμπτεται. Αν η λεκάνη είναι αρκετά μακριά και τοποθετήσουμε ένα καθρέφτη στον πάτο της, η δέσμη θα ανακλαστεί στον πάτο της λεκάνης.