Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Ewolucja fizyki 
  Indeks
Wielkie wykłady
Jak powstawała
Ewolucja fizyki

Triumfy poglądu
mechanistycznego

Upadek poglądu
mechanistycznego

Dwa płyny elektryczne
Płyny magnetyczne
Pierwsza poważna
Prędkość światła
Światło jako subst.
Zagadka barwy
Co to jest fala?
Falowa teoria światła
Podłużne czy . . .
Eter a pogląd . . .
Streszczamy
Pole i teoria
względności

Kwanty
  Źródło
Albert Einstein, Leopold Infeld
EWOLUCJA FIZYKI
Rozwój poglądów od najważniejszych pojęć do teorii względności i kwantów

W przekładzie Ryszarda Gajewskiego


  Falowa teoria światła
 
Falowa teoria światła
 
P
rzypomnijmy sobie, dlaczego przerwaliśmy opis zjawisk optycznych. Chcieliśmy wprowadzić nową teorię światła, inną od korpuskularnej, lecz próbującą tłumaczyć ten sam zakres faktów. W tym celu musieliśmy przerwać opowiadanie i wprowadzić pojęcie fal. Obecnie możemy powrócić do tematu.
       Twórcą zupełnie nowej teorii był współczesny Newtonowi Huyghens. W swej rozprawie o świetle pisał on:
Jeżeli więc w dodatku, co rozpatrzymy teraz, światło używa pewnego czasu na swe przechodzenie, to będzie stąd wynikało, że ruch nadany materii jest stopniowy, że więc rozchodzi się on za pomocą powierzchni i fal sferycznych, podobnie jak to się dzieje w przypadku dźwięku. Nazywam je falami wskutek podobieństwa do fal, których powstawanie w wodzie widzimy, kiedy wrzucimy do niej kamień. Te fale wykazują właśnie stopniowe rozchodzenie się w krąg, choć przyczyna tego zjawiska jest inna i ma miejsce tylko na powierzchni płaskiej.
Według Huyghensa światło jest falą, przekazywaniem energii, a nie substancji. Widzieliśmy, że teoria korpuskularna tłumaczy wiele obserwowanych faktów. Czy będzie je mogła wytłumaczyć również teoria falowa? Musimy znów zadać pytania, na które odpowiedziała już teoria korpuskularna, i zobaczyć, czy teoria falowa odpowie na nie równie dobrze. Uczynimy to w formie dialogu między N a H, gdzie N jest zwolennikiem teorii korpuskularnej Newtona, zaś H – teorii Huyghensa. Żadnemu z nich nie wolno używać argumentów, które wyszły na jaw po zakończeniu prac obu wielkich mistrzów.
       N. W teorii korpuskularnej prędkość światła ma znaczenie zupełnie określone. Jest to prędkość, z jaką korpuskuły poruszają się w próżni. A czym jest prędkość w teorii falowej?
       H. Oczywiście prędkością fali świetlnej. Każda znana nam fala rozchodzi się z określoną prędkością i to samo powinno dotyczyć fali światła.
       N. Nie jest to takie proste, jak się wydaje. Fale dźwiękowe rozchodzą się w powietrzu, fale morskie w wodzie. Każda fala musi mieć ośrodek materialny, w którym biegnie. Ale światło przechodzi przez próżnię, podczas gdy dźwięk nie przechodzi. Zakładać, że fala istnieje w próżni, znaczy tyle, co nie zakładać istnienia fali w ogóle.
       H. Owszem, to jest trudność, choć dla mnie nie nowa. Mój mistrz przemyślał ją dokładnie i uznał, że jedynym wyjściem jest założenie istnienia hipotetycznej substancji, eteru, przezroczystego ośrodka, który wypełnia cały wszechświat. Wszechświat jest jak gdyby zanurzony w eterze. Z chwilą, gdy zdobędziemy się na odwagę wprowadzenia tego pojęcia, wszystko stanie się jasne i przekonywające.
       N. Ale ja się nie zgadzam na takie założenie. Po pierwsze wprowadza ono nową hipotetyczną substancję, a tych mamy już w fizyce i tak za dużo. Lecz to nie wszystko. Z pewnością jesteś zdania, że wszystko trzeba tłumaczyć poprzez pojęcia, którymi operuje mechanika. A co będzie z eterem? Czy potrafisz odpowiedzieć na proste pytania, jak eter jest zbudowany ze swych elementarnych cząsteczek i w jaki sposób się przejawia w innych zjawiskach?
       H. Twój pierwszy zarzut jest niewątpliwie uzasadniony, ale wprowadzając trochę sztuczny, nieważki eter, uwalniamy się od razu od znacznie bardziej sztucznych korpuskuł świetlnych. Mamy tylko jedną „tajemniczą” substancję, a nie nieskończoną ich ilość, odpowiadającą wielkiej ilości barw w widmie. Czy nie uważasz, że jest to istotny postęp? Wszystkie trudności zostają przynajmniej skupione w jednym punkcie. Nie potrzebujemy już sztucznego założenia, że cząstki związane z różnymi barwami poruszają się w próżni wszystkie z jednakową prędkością. Twój drugi argument jest również słuszny. Nie potrafimy podać mechanistycznego wyjaśnienia eteru. Nie ma jednak wątpliwości, że przyszłe badania zjawisk optycznych, a może i innych, ujawnią jego strukturę. W chwili obecnej musimy czekać na nowe doświadczenia i nowe wnioski, mamy jednak nadzieję, że w końcu będziemy mogli rozwikłać zagadnienie mechanicznej struktury eteru.
       N. Odłóżmy na razie tę sprawę, gdyż nie można jej teraz rozstrzygnąć. Chciałbym się dowiedzieć, jak twoja teoria, nawet jeśli pominąć jej trudności, tłumaczy te zjawiska, które są tak jasne i zrozumiałe w świetle teorii korpuskularnej. Weźmy na przykład fakt, że promienie świetlne biegną w próżni lub w powietrzu po liniach prostych. Umieszczony przed świecą kawałek papieru rzuca na ścianę wyraźny i ostro zarysowany cień. Gdyby słuszna była falowa teoria światła, wówczas nie mogłyby istnieć ostre cienie, gdyż fale zaginałyby się wokół krawędzi, rozmywając w ten sposób cień. Wiesz przecież, że mały statek nie jest dla fal morskich przeszkodą; po prostu zaginają się one wokół niego, nie dając cienia.
       H. Nie jest to przekonujący argument. Weźmy krótkie fale na rzece, które uderzają o bok dużego statku. Fal, które się zaczynają po jednej stronie statku, nie widać po drugiej stronie. Jeżeli fale są dostatecznie krótkie, a statek dostatecznie długi, pojawi się bardzo wyraźny cień. Jest bardzo prawdopodobne, że światło zdaje się poruszać po liniach prostych tylko dlatego, że jego długość fali jest bardzo mała w porównaniu z wymiarami zwykłych przeszkód oraz używanych w doświadczeniach otworów. Możliwe, że gdybyśmy mogli utworzyć dostatecznie małą przeszkodę, żaden cień by nie powstał. Przy budowie przyrządu, który by miał wykazać, czy światło zdolne jest się uginać, możemy się natknąć na wielkie trudności doświadczalne. Niemniej jednak, gdyby się udało takie doświadczenie wykonać, stałoby się ono doświadczeniem rozstrzygającym między falową a korpuskularną teorią światła.
       N. Być może w przyszłości teoria falowa doprowadzi do nowych faktów, jednakże nie znam danych doświadczalnych, które by ją w przekonujący sposób potwierdzały. Dopóki doświadczenie zdecydowanie nie wykaże, że światło może się uginać, nie widzę powodu, aby nie dawać wiary teorii korpuskularnej, która wydaje mi się prostsza i dlatego lepsza od teorii falowej.
       W tym miejscu możemy nasz dialog przerwać, choć przedmiot bynajmniej nie jest wyczerpany.
       Trzeba jeszcze przedstawić, w jaki sposób teoria falowa tłumaczy załamanie światła i rozmaitość barw. Wiemy, że teoria korpuskularna potrafi te zjawiska wytłumaczyć. Zaczniemy od załamania, ale najpierw warto rozpatrzyć przykład, który nie ma nic wspólnego z optyką.
       Po dużym otwartym dziedzińcu idzie dwóch ludzi trzymających między sobą sztywny pręt. Na początku obaj idą z jednakową prędkością prosto przed siebie.
Dopóki prędkości ich są jednakowe, wszystko jedno, czy duże, czy małe, pręt przemieszcza się równolegle, to znaczy nie skręca ani nie zmienia kierunku. Wszystkie kolejne położenia pręta są do siebie równoległe. Ale wyobraźmy sobie teraz, że przez pewien czas, który może trwać nawet tylko ułamek sekundy, ruch obu ludzi nie jest taki sam. Co się stanie? Widać od razu, że w ciągu tej jednej chwili pręt obróci się, tak że nie będzie się już przemieszczał równolegle do położenia początkowego. Gdy obie prędkości znów się zrównają, ruch będzie zachodził w innym niż poprzednio kierunku. Widać to wyraźnie na rysunku. Zmiana kierunku nastąpiła w czasie, w którym prędkości obu ludzi były różne.
       Przykład ten pozwoli nam zrozumieć załamanie się fali. Biegnąca w eterze fala płaska uderza o płytkę szklaną. Na następnym rysunku widzimy postępującą falę, której czoło jest stosunkowo duże. Czoło fali jest to płaszczyzna, na której w danej chwili wszystkie cząstki eteru zachowują się dokładnie tak samo.
Ponieważ prędkość zależy od ośrodka, przez który przechodzi światło, będzie ona w szkle inna niż w próżni. W ciągu bardzo krótkiego czasu, w którym czoło fali wchodzi do szkła, rozmaite części czoła fali będą miały różne prędkości. Łatwo zrozumieć, że część, która już weszła w szkło, będzie się poruszać z prędkością światła w szkle, podczas gdy reszta wciąż jeszcze porusza się z prędkością światła w eterze. Ta różnica prędkości wzdłuż czoła fali w czasie „zanurzania się” w szkle sprawia, że zmienia się kierunek samej fali.
       Widzimy więc, że wyjaśnienie zjawiska załamania daje nie tylko teoria korpuskularna, ale również teoria falowa. Dalsze rozważania w połączeniu z odrobiną matematyki wykazują, że wyjaśnienie, które daje teoria falowa, jest prostsze i lepsze oraz że jego konsekwencje doskonale zgadzają się z doświadczeniem. Istotnie, ilościowe metody rozumowania pozwalają znaleźć prędkość światła w ośrodku załamującym, jeśli wiemy, jak się załamuje wchodząca doń wiązka. Bezpośrednie pomiary znakomicie potwierdzają te przewidywania, a więc i falową teorię światła.
       Pozostaje jeszcze sprawa barwy.
       Należy pamiętać, że falę charakteryzują dwie liczby, prędkość i długość fali. Zasadnicze założenie falowej teorii światła głosi, że różne długości fali odpowiadają różnym barwom. Długość fali jednorodnego światła żółtego jest inna niż dla światła czerwonego lub fioletowego. Zamiast sztucznego zróżnicowania cząstek związanych z różnymi barwami, mamy naturalną różnicę w długości fali.
       Wynika stąd, że doświadczenia Newtona z rozszczepieniem światła można opisać w dwóch różnych językach: teorii korpuskularnej i teorii falowej. Oto przykład:
 
J ę z y k
k o r p u s k u l a r n y
J ę z y k
f a l o w y
Korpuskuły związane z różnymi barwami mają tę samą prędkość w próżni, lecz różne prędkości w szkle.Promienie o różnych długościach fali, związane z różnymi barwami mają tę samą prędkość w eterze, lecz różne prędkości w szkle.
Światło białe jest mieszaniną korpuskuł związanych z różnymi barwami, podczas gdy w widmie zostają one rozdzielone.Światło białe jest mieszaniną fal o wszystkich długościach, podczas gdy w widmie zostają one rozdzielone.
 
Warto by się pozbyć dwuznaczności, wynikającej z istnienia dwóch odrębnych teorii tych samych zjawisk, przez rozstrzygnięcie sporu na rzecz jednej z nich po wnikliwym zbadaniu wad i zalet obu. Z dialogu między N a H widać, że nie jest to zadanie łatwe. Rozstrzygnięcie byłoby tu raczej kwestią gustu niż naukowego przekonania. W czasach Newtona i przez przeszło sto lat po nim większość fizyków wypowiadała się za teorią korpuskularną.
       Wyrok historii, który rozstrzygnął spór na korzyść teorii falowej, a przeciw teorii korpuskularnej, przyszedł znacznie później, bo dopiero w połowie dziewiętnastego wieku. N w swej rozmowie z H stwierdził, że doświadczalne rozstrzygnięcie między obu teoriami jest w zasadzie możliwe. Teoria korpuskularna nie dopuszcza ugięcia się światła i żąda występowania ostrych cieni. Tymczasem według teorii falowej dostatecznie mała przeszkoda w ogóle nie powinna rzucać cienia. Young i Fresnel otrzymali ten wynik doświadczalnie, co pozwoliło na wyciągnięcie wniosków teoretycznych.
W górze widzimy fotografię plam świetlnych po kolejnym przejściu dwóch promieni przez dwa otworki od szpilek (najpierw odsłonięto jeden otworek, a następnie po zakryciu go – drugi). W dole widzimy prążki powstałe przy przejściu światła przez oba otworki równocześnie.
       Omawialiśmy już bardzo proste doświadczenie, w którym naprzeciw punktowego źródła światła umieszczono ekran z otworem, tak że na ścianie pojawił się cień. Uprościmy to doświadczenie jeszcze bardziej zakładając, że źródło wysyła światło jednorodne. Najlepsze wyniki otrzymamy, gdy źródło będzie silne. Wyobraźmy sobie, że otwór w ekranie zmniejsza się. Jeśli użyjemy dostatecznie silnego źródła i wystarczająco małego otworu, wystąpi nowe, niespodziewane zjawisko, zupełnie niezrozumiałe z punktu widzenia teorii korpuskularnej. Nie ma już ostrej granicy między światłem a cieniem. Światło przechodzi w ciemne tło stopniowo, poprzez ciąg jasnych i ciemnych pierścieni. Pojawienie się pierścieni jest bardzo charakterystyczne dla teorii falowej. Wystąpienie na przemian jasnych i ciemnych obszarów można wytłumaczyć na przykładzie nieco innego układu doświadczalnego. Przypuśćmy, że mamy arkusz papieru z dwiema dziurkami od szpilki, przez które może przechodzić światło. Jeśli otworki są bardzo małe i zrobione blisko siebie, zaś źródło światła jest dostatecznie silne, na ścianie pojawi się dużo jasnych i ciemnych prążków, przechodzących po obu stronach w ciemne tło. Wytłumaczenie tego jest proste. Ciemny prążek pojawia się tam, gdzie grzbiet fali biegnącej z jednego otworka spotyka się z doliną fali z drugiego otworka. Prążek jasny zjawia się tam, gdzie spotykają się dwa grzbiety lub dwie doliny fal z dwóch otworków; w tym wypadku obie fale nawzajem się wzmacniają. W przypadku jasnych i ciemnych pierścieni z naszego poprzedniego przykładu, w którym używaliśmy ekranu z jednym otworkiem, wyjaśnienie jest bardziej skomplikowane, ale zasada pozostaje ta sama. To występowanie ciemnych i jasnych prążków w wypadku dwóch otworków oraz ciemnych i jasnych pierścieni w wypadku jednego warto sobie zapamiętać, gdyż później wrócimy do omówienia tych dwóch obrazów. Opisane tu doświadczenia wykazują ugięcie się, czyli dyfrakcję światła, odchylenie od prostoliniowego rozchodzenia się fali świetlnej, gdy na jej drodze znajdują się małe otworki lub przeszkody.
Dyfrakcja światła uginającego się na małej zasłonie.Dyfrakcja światła przechodzącego przez mały otworek.
       Nieco matematyki pozwala pójść znacznie dalej. Można określić, jak wielka, albo raczej jak mała musi być długość fali, aby powstał taki a nie inny obraz. Opisane doświadczenia pozwalają więc mierzyć długość fali światła jednorodnego, pochodzącego z danego źródła. Aby dać pojęcie o tym, jak małe są te liczby, przytoczymy dwie długości fali odpowiadające krańcom widma słonecznego, to znaczy czerwieni i fioletowi.
Długość fali światła czerwonego wynosi 0,00008 cm.
Długość fali światła fioletowego wynosi 0,00004 cm.
Nie powinno nas dziwić, że liczby te są tak małe. Zjawisko ostrego cienia, to znaczy zjawisko prostoliniowego rozchodzenia się światła, obserwujemy w przyrodzie tylko dlatego, że wszystkie otwory i przeszkody, z którymi się zwykle spotykamy, są kolosalnie duże w porównaniu z długościami fali światła. Swą falową naturę przejawia światło tylko wtedy, gdy wchodzą w grę małe przeszkody i otwory.
       Ale historia poszukiwań teorii światła bynajmniej się na tym nie kończy. Wyrok dziewiętnastego stulecia nie był ostateczny i nieodwołalny. Całe zagadnienie wyboru między korpuskułami a falami istnieje również w fizyce współczesnej, tym razem w postaci znacznie głębszej i bardziej skomplikowanej. Uznajmy na razie porażkę korpuskularnej teorii światła; przekonamy się jeszcze, że zwycięstwo teorii falowej było dość problematyczne.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach