Κόκκινος φωτισμός και Πρεσβυωπία (και γιατί συμβαίνει η Διάθλαση)

Εάν κάποιος οδηγός αυτοκινήτου έχει πρεσβυωπία (που αρχίζει να εμφανίζεται από τα 45 – 50 χρόνια) και εφόσον οδηγεί αυτοκίνητο που τα όργανα στο ταμπλό  φωτίζονται με κόκκινο ή πορτοκαλί φως, θα έχει προσέξει ότι όταν οδηγεί τη νύκτα χωρίς να χρησιμοποιεί γυαλιά πρεσβυωπίας, βλέπει τα όργανα κάπως θολά (εκτός εστίασης). Αυτό το φαινόμενο δεν είναι τόσο έντονο με φωτισμό οργάνων λευκού ή γαλάζιου χρώματος.

Η αιτία βρίσκεται σ’ ένα πρόβλημα του φακού των ματιών (αλλά και όλων των απλών φακών γενικά) που ονομάζεται χρωματικό σφάλμα, που όσοι ασχολούνται με τη φωτογραφία το γνωρίζουν καλά, αλλά θα το περιγράψουμε με απλά λόγια.

Καθώς το φως πέφτει επάνω σ’ ένα φακό (ας σκεφτούμε τον κλασικό αμφίκυρτο φακό, όπως τον μεγεθυντικό), διαθλάται σχηματίζοντας έναν κώνο, ώστε να συγκεντρωθεί σ’ ένα σημείο πίσω από τον φακό, την εστία του. Όμως όλα τα χρώματα που περιέχονται στο λευκό φως δεν διαθλώνται το ίδιο. Το μπλε διαθλάται περισσότερο και το κόκκινο λιγότερο, με το πράσινο ενδιάμεσα.  Μάλιστα η διάθλαση είναι τόσο πιο έντονη όσο πιο κοντά στην περιφέρεια του φακού περνάει το φως.

Ειδικότερα στο μάτι, την ημέρα το φαινόμενο δεν είναι έντονο, επειδή η κόρη έχει μικρό άνοιγμα και το φως περνάει από το κέντρο του φακού. Το βράδυ όμως η κόρη διαστέλλεται και το φως περνάει και κοντά στην περιφέρεια του φακού. Έτσι, τα τρία βασικά χρώματα, μπλε, πράσινο και κόκκινο διαθλώνται σε σαφώς διαφορετική γωνία, με το μπλε να εστιάζεται κοντύτερα στον φακό και το κόκκινο μακρύτερα.

Σ’ ένα μάτι που έχει πρεσβυωπία, ο φακός έχει χάσει την ελαστικότητά του και όταν οι μυς που τον «τεντώνουν» και τον λεπταίνουν για μακρινή όραση χαλαρώνουν, δεν επανέρχεται τελείως ώστε να γίνει όσο καμπύλος απαιτείται για κοντινή όραση. Το αποτέλεσμα είναι να εστιάζει πιο πίσω από εκεί που θα έπρεπε, την επιφάνεια δηλαδή του αμφιβληστροειδή, στο πίσω μέρος του ματιού. Φυσικά αυτό ισχύει για όλα τα χρώματα, αλλά το κόκκινο που ήδη διαθλάται (κάμπτεται) λιγότερο όπως προαναφέρθηκε, θα εστιάσει ακόμα πιο μακριά πίσω από τον αμφιβληστροειδή, με αποτέλεσμα τα κοντινά κόκκινα φωτεινά σημεία να φαίνονται πιο θολά σε σχέση με τα άλλα χρώματα.

Αντίστροφα, ένας γαλάζιος φωτισμός θα βοηθούσε την εστίαση του πρεσβυωπικού ματιού, αλλά ειδικά σε συνθήκες πολύ χαμηλού φωτισμού βοηθάει το ανοιχτό πράσινο χρώμα καθώς εκεί η ευαισθησία του ματιού είναι η μέγιστη. Γι’ αυτό και οι διόπτρες νυκτερινής όρασης λειτουργούν στο πράσινο. Το κόκκινο όμως έχει ένα πλεονέκτημα τη νύκτα, καθώς δεν χαλάει τη φυσική προσαρμογή του ματιού στο σκοτάδι, γι’ αυτό συχνά στα πλοία (ειδικά στα πολεμικά) ο φωτισμός στο θάλαμο διακυβέρνησης είναι κόκκινος*. Στις περιπτώσεις αυτές βέβαια οι ηλικίες είναι μικρές και δεν υπάρχει το πρόβλημα της πρεσβυωπίας. Ένα ακόμα πλεονέκτημα του κόκκινου φωτισμού, είναι ότι δεν επηρεάζει τη διαδικασία εμφάνισης των φωτογραφικών φιλμ (όσο χρησιμοποιούνται ακόμα).

Έτσι λοιπόν, οι μεγαλύτεροι σε ηλικία οδηγοί αντί για το σπορ κόκκινο χρώμα στον φωτισμό των οργάνων, θα ήταν καλύτερα να διάλεγαν μια πιο «cool» απόχρωση, που θα ταίριαζε καλύτερα και με το στυλ οδήγησης που θα έπρεπε να έχουν.

Σημείωση: Κάποια από τα νεότερα αυτοκίνητα έχουν επιλογή χρώματος φωτισμού για το καντράν των οργάνων, οπότε προσφέρουν μια απλή λύση στο πρόβλημα αυτό.

*Τα τελευταία χρόνια υπάρχει μια προτίμηση προς τον μπλε φωτισμό επειδή δεν "εξαφανίζει" τις κόκκινες λεπτομέρειες (από τους χάρτες πχ), και επί πλέον χρησιμοποιώντας λάμπες LED μπορεί να ρυθμιστεί σε χαμηλή ένταση χωρίς αλλοίωση του χρωματικού του φάσματος.

Και με την ευκαιρία, γιατί συμβαίνει η Διάθλαση;
Η διάθλαση συμβαίνει όταν το φως περνάει από ένα διαφανές μέσο σε κάποιο άλλο επίσης διαφανές αλλά με διαφορετική «οπτική πυκνότητα» ή σωστότερα διαφορετικό δείκτη διάθλασης, και εφόσον δεν πέφτει τελείως κάθετα στη μεταξύ τους διαχωριστική επιφάνεια.

Εικόνα 1. Η κλασική εικόνα της διάθλασης, με είσοδο / έξοδο σε μη παράλληλα επίπεδα, οπότε τα χρώματα του φάσματος διαχωρίζονται σημαντικά και είναι εύκολο να παρατηρηθούν.

Και επίσης γνωστό, ότι όταν «λευκό» φως μπαίνει υπό γωνία σε κάποιο οπτικό μέσο και στη συνέχεια βγαίνει απ’ αυτό, εφόσον η επιφάνεια εισόδου είναι παράλληλη με την επιφάνεια εξόδου η δέσμη απλά μετατοπίζεται προς στο πλάι, όπως στην εικόνα 2, χωρίς να αναλύεται στα χρώματα του φάσματος.

                                                Εικόνα 2.

Θα αναρωτηθεί όμως κάποιος: Αν το φως μπαίνοντας στο νέο υλικό υπό γωνία αρχίζει να αναλύεται στα χρώματα του φάσματος, όπως φαίνεται στην εικόνα 1, πώς ξανασυντίθεται σε λευκό φως βγαίνοντας από την άλλη παράλληλη επιφάνεια; Η απάντηση είναι, ότι ουσιαστικά δεν ξανασυντίθεται!
Ας παρακολουθήσουμε τι συμβαίνει, στην εικόνα 3.

                                Εικόνα 3.

Μπαίνοντας το λευκό φως (μαύρο στο σχέδιο για πρακτικούς λόγους) λοξά σε ένα οπτικό μέσο με μεγαλύτερο δείκτη διάθλασης, αρχίζει να διαχωρίζεται ανάλογα με το μήκος κύματος κάθε χρώματος. Στη συνέχεια θα παρακολουθήσουμε την πορεία του κόκκινου που κάμπτεται λιγότερο, και του μπλε που κάμπτεται περισσότερο. Βγαίνοντας από την απέναντι παράλληλη επιφάνεια, η διαδικασία αντιστρέφεται και το κάθε χρώμα κάμπτεται στην ίδια ακριβώς γωνία (ως προς την κάθετη στις παράλληλες επιφάνειες) με την οποία μπήκε στο υλικό.
Είναι λοιπόν προφανές, ότι οι διαχωρισμένες ακτίνες ταξιδεύουν πλέον παράλληλα και δεν ξαναενώνονται (το ίδιο φυσικά ισχύει και για τα άλλα ενδιάμεσα χρώματα). Πως ξαναγίνεται λοιπόν η ακτίνα λευκή;
Αν παρατηρήσουμε το σχέδιο στα δεξιά, θα δούμε ότι καθώς η λευκή ακτίνα αποτελείται στην πραγματικότητα από ένα μεγάλο σύνολο απειροελάχιστα λεπτών λευκών ακτίνων που υφίστανται την ίδια αλλαγή, όλα τα χρώματα συντίθεται για να δώσουν λευκό (θυμίζουμε, φαίνεται μαύρο στο σχέδιο), εκτός από τις τελείως «ακριανές» ακτίνες του κόκκινου και μπλε που όμως είναι τόσο λεπτές, που περνούν απαρατήρητες. Επίσης, απαρατήρητη περνά η ελαφρά «πάχυνση» της λευκής ακτίνας κατά την έξοδό της.

Για παρόμοιο λόγο δεν βλέπουμε την ανάλυση του φάσματος αν κρατήσουμε ένα πρίσμα στον ήλιο, ή στον πυθμένα μίας πισίνας ακόμα και όταν ο ήλιος δεν είναι κάθετος. Για να φανούν τα χρώματα του φάσματος, η δέσμη του λευκού φωτός πρέπει να είναι (όπως στην εικόνα 1), πολύ λεπτή.

Ας δούμε τώρα ένα πιο δύσκολο θέμα. Γιατί συμβαίνει η διάθλαση; Και δεν εννοούμε τους νόμους της διάθλασης που είναι απλοί και υπάρχουν σε κάθε εγχειρίδιο Φυσικής, αλλά γιατί το φως συμπεριφέρεται έτσι.
Η πιο απλή εξήγηση είναι ότι το φως θέλει να είναι όσο πιο γρήγορο γίνεται, με την έννοια ότι θέλει να μειώσει τον χρόνο μετακίνησής του στο μηδέν. (Σύμφωνα με τη θεωρία της Σχετικότητας αυτό συμβαίνει πράγματι για το ίδιο το φως στο κενό, δεν ισχύει όμως για τον εξωτερικό παρατηρητή).

Ο Φερμά το είχε διατυπώσει κάπως διαφορετικά τον 17ο αι., ότι δηλαδή το φως επιλέγει τη χρονικά συντομότερη διαδρομή.
Όμως, μέσα από οπτικά μέσα όπως ο αέρας (πρακτικά χωρίς διαφορά από το κενό), το νερό, το γυαλί, το διαμάντι κλπ, η ταχύτητά του φωτός είναι σαφώς μικρότερη από αυτή στο κενό, γιατί απλά υπάρχουν «εμπόδια» με τη μορφή πεδίων των ατόμων.

 

Εικόνα 4. Μια προσπάθεια να εξηγηθεί η κάμψη του φωτός περνώντας λοξά σε πιο αργό περιβάλλον, είναι το καρότσι που επιβραδύνεται αρχικά «μονόπαντα» και υποχρεώνεται σε ελαφρά δεξιά στροφή, εξαιτίας του γεγονότος ότι οι δεξιοί του τροχοί βρίσκονται πρώτοι μέσα σε περιβάλλον αυξημένης αντίστασης.

                                    Εικόνα 5.

Ας χρησιμοποιήσουμε την αναλογία της εικόνας 5, με έναν άνθρωπο που είναι στην ξηρά και βλέπει κάποιον να ζητάει βοήθεια, σε κάποια απόσταση μέσα στη θάλασσα. Από τις τρείς επιλογές διαδρομής που έχει, αυτή που θα τον φέρει συντομότερα κοντά στον άνθρωπο που χρειάζεται βοήθεια είναι να τρέξει τη μεγαλύτερη απόσταση στο έδαφος και στη συνέχεια να κινηθεί προς τον άνθρωπο κολυμπώντας, με μικρότερη φυσικά ταχύτητα (πράσινη διαδρομή). Οι άλλες τρεις επιλογές διαδρομής είναι φανερό (και αποδεικνύεται μαθηματικά) ότι είναι πιο αργές. Αυτό ισχύει στην περίπτωση του παραδείγματος για οποιαδήποτε θέση του διασώστη και του κολυμβητή. Παρόμοια, και η ακτίνα του φωτός, καθώς δεν ξέρει παρά τη γωνία με την οποία συναντά την επιφάνεια διαχωρισμού, η μόνη δυνατότητα που έχει είναι να υπακούει στον σχετικό μαθηματικό νόμο (του Snell) που λέει ότι ο λόγος των ημιτόνων των γωνιών που σχηματίζει η ακτίνα με την κάθετη στην επιφάνεια διαχωρισμού είναι ίσος με τον λόγο των ταχυτήτων στα δύο μέσα. Έτσι, σε όποιο σημείο του πυκνότερου διαθλαστικά μέσου και να καταλήξει η ακτίνα, θα είναι στον μικρότερο χρόνο. Τελικά, ο καλύτερος συμβιβασμός πετυχαίνει αυτό που πραγματικά επιδιώκει το φως, να καμφθεί δηλαδή η ακτίνα «τόσο όσο» ώστε η συνολική καθυστέρηση να είναι η ελάχιστη.