A Világ megismerése
a fizikatudomány módszereivel

/                                                                                                   /

 

 

Az emberek örök tulajdonsága a kíváncsiság. Mindig többet és mindig jobbat szeretnénk megtudni a bennünket körülvevő univerzumból.

A fizikai ismeretszerzés jól ismert módszerei: észlelés, megfigyelés, kísérletezés és az ezek által kialakított tudományos elméletek. Az évezredek során ilyen módon megszerzett ismeretek azonban sokszor tévútra vezettek, a világról hamis képet adtak és csak néhány évszázad múlva alakult ki a helyes  és elfogadható világkép.

Előadásomban szeretném azt az izgalmas problémakört bemutatni, hogy egy adott résztudományban az azzal foglalkozó tudósok hogyan tervezték meg kísérleteiket, abból - a matematika segítségével - milyen törvényeket alkottak, és ezek a törvények milyen módon tették ismerté az adott résztudományt. Sokszor azonban azok a gondolatok, amelyek a kísérletek megtervezését létrehozták, hamisnak bizonyultak, és hibás képet adtak a vizsgált témáról. Kellett egy új hipotézis, ennek bizonyítására új kísérletsorozat, amely ezt a hipotézist vagy a tudomány rangjára emelte, vagy tarthatatlanságát bizonyította.

A fizikában számtalan ilyen esettel találkozunk.

 

Én ezek közül eggyel szeretnék részletesen foglalkozni. Mintegy félezer évvel ez előtt vetődött fel az az izgalmas kérdés, hogy mi a fény? Az addigi ismeretek alapján erre a kérdésre nem tudtak kielégítő választ adni a fizikusok. A fény geometriai tulajdonságait vizsgáló számtalan kísérlet és az ezekből kialakított elmélet nem szolgáltatott megfelelő alapot a fölvetett kérdés megválaszolására. Ettől kezdve évszázadokon át a továbbhaladás útját az jellemezte, hogy különböző hipotéziseket állítottak fel, ezekhez kerestek kísérleteket, amelyek hivatottak lettek volna a hipotézis tarthatóságának igazolására. Számtalan részsiker ellenére sem alakult ki egységes kép. Ehhez még hozzá tartozott az is, hogy a technika fejlődésével a kísérletek egyre pontosabbá váltak, hitelesebb - és néha egészen újszerű - képet adtak a vizsgált anyagrésszel kapcsolatban. A fény természetéről kialakított pontos elmélet csak a XX. század elején vált véglegessé (jelen tudásunk szerint). Induljunk el most a felfedezők lelkesedésével ezen a könnyűnek nem nevezhető úton!

Környezetünk megismerése elsősorban érzékszerveink által történik. A külvilágról szerzett információink mintegy 80-85 százaléka látásunkkal és így a fénnyel kapcsolatos. Érthető tehát, hogy a fénytan volt a fizikának az a része, amelynek kialakulása a legrégebb korokra vezethető vissza, a mechanika mellett. A fényjelenségek észlelése, megfigyelése, majd a tudatos kísérletezés alakította ki az évszázadok során a geometriai fénytan tudományát. Az első feljegyzések i.e. 300. évből származnak. Ez a mű "Optika és Katopteika" Euklides nevéhez fűződik. E szerint a fény, homogén közegben, egyenes vonalban terjed. A fénysugár menete megfordítható. A fényt úgy tekinti, mint egy egyenes sugarat, amely az Euklidesi térben halad.

A fény egyenes vonalú terjedését az árnyékképződés igazolja a legszemléletesebbe. Itt a fénytan kapcsolódik a csillagászattal is. A nap- és holdfogyatkozás csak így magyarázható meg tudományosan. (lásd legutolsó 1999. augusztus 11.)

 

A geometriai optika vizsgálja még a fény visszaverődését és a fény törését. Megállapítja ezen jelenségek pontos törvényszerűségeit. A fénytörés törvényei a holland Snellius és a francia Descartes nevéhez fűződnek (1620-ban) és mind a mai napig az optika alaptörvényeinek számítanak. Ezen törvények gyakorlati alkalmazása már a XVII. századtól kezdve használatos: nagyítók, mikroszkópok, távcsövek. Galilei a Jupiter holdjait ilyen távcsővel fedezte fel.

A fény jellemző adata: a terjedési sebessége. Ezt először csillagászati úton Römer Olaf dán csillagász határozta meg 1676-ban a Jupiter holdjainak segítségével. Majd késöbb Fizeau, Foucault, Michelson, Bay Zoltán is. Ez a sebesség c=3*105  km/sec. Később kimutatták, hogy különböző anyagokban a fény terjedési sebessége kisebb is lehet. Érdekességnek megemlítem, hogy 1995-ben a Harvard egyetemen a fény sebességét sikerült lecsökkenteni egy speciális kísérlettel 60km/h-ra. Newton nevéhez fűződik a diszperzió jelenségének felfedezése, ennek a lényege, ha fehér fényt prizmára ejtünk, a fehér fény színeire bomlik. A színek összességét színképnek, spektrumnak nevezzük.  Ez a későbbiek során új tudományágat nyitott meg, ez sok más társtudománnyal együtt a technikai felfedezések egész sorának vált kiindulópontjául. (mozi, tv… stb.)

A geometriai fénytannak köszönhetően a fény legjelentősebb tulajdonságai - és ezek gyakorlati alkalmazásai - a XVII. század második felére már közismerté váltak. Azt azonban a kutatók nem tudták megválaszolni, hogy voltaképpen mi a fény!  Erre a kérdésre úgy próbáltak választ keresni és a fény természetére vonatkozó egységes képet kialakítani, hogy hipotéziseket állítottak fel. ( hipotézis: tudományos feltételezés amelyet azonban bizonyítani vagy cáfolni kell.)

A kor nagy fizikusai: Descartes, Christiaan Huygens és Isaac Newton, egymással teljesen ellentétes nézeteket vallottak a kérdésről.

A XVIII. század elején a kutatók a fény mibenlétére vonatkozóan három hipotézist állítottak föl.

 

Descartes elmélete a mindenséget kitöltő finom anyagrészek örvénylő mozgásából adódó nyomásnak tulajdonítja a fényérzet keltését.

Huygens hipotézisében azt mondta, hogy a fény terjedése hullám formájában történik és a fénynek hullám természete van. A fény úgy jön létre, hogy a fényt kibocsátó test meglöki a körülötte lévő igen finom anyagnak, az éternek a részecskéit, majd ezek a meglökött részek mozgásállapotukat tovább adják. Ahogyan a levegő a hang hordozója, úgy az éter a fényé. Ilyen módon a fény longitudinális hullám. Ezzel meg tudta magyarázni, a fény egyenes vonalú terjedését, visszaverődését és a fény törését is. Huygens mechanikai modellel szemlélteti a fényt és alkalmazza jól ismert elvét, miszerint a hullám minden pontja egy új hullám-keltő központként fogható fel, amelyből a hullámok minden irányba kiindulnak.

Ezzel szemben Newton azt tételezte fel, hogy a fény parányi részecskékből áll, amelyek 3*105 km/sec-mal haladnak légüres térben. A részecskék változó méretei magyarázatot adhatnak a különböző színekre. Tudja magyarázni a fény visszaverődését, a mechanikában a rugalmas ütközéshez hasonlóan. Óriási érdeme volt a diszperzió jelenségének vizsgálata és magyarázata is.  A Newton-féle korpuszkuláris-hipotézis és a Huygens-féle hullámhipotézis között hatalmas különbség volt és a két tudós életében egyik feltételezés sem nyert igazolást. Többször hivatkoztak egymásra, Newtonnak, mint embernek igen nagy volt a tisztelete, de Huygens azok közé a kevesek közé tartozott, akit Newton is tekintélynek tartott.

A következő évszázadok felfedezései váltakozva, hol a leegyszerűsített Newtoni felfogást, hol a finomított Huygens-i elvet tették magukévá, de a fényről alkotott teljes képet csak a XX. század elején tudták kialakítani.

Mi a fény? Anyag, vagy hullám? Ha anyag, akkor anyaghoz anyagot adva a mennyiségnek növekedni kell, ha hullám, akkor a hullámok összege több is, kevesebb is lehet, vagy meg is szűnhet.

A három nagy fizikus után - mintegy 100 évvel - a kísérletek egyre inkább Huygens hullámhipotézisét igazolták. A kísérletek alapgondolata a fény interferenciája volt. A mechanikából közismert, hogyha két hullám a hullámtér egy pontjában találkozik, az abban a pontban mérhető kitérés a két kitérés eredője lesz. Az interferencia létrejöttének feltétele, hogy a két hullámforrás helyzete ne változzék, a frekvenciája azonos legyen, s a rezgés huzamosabb ideig tartson. Ekkor a két hullám egymással koherens.

Interferenciát létre lehet hozni vékony hártyán, változó vastagságú anyagon (ezt már Newton ismerte, csak nem tudta magyarázni), tükörkísérlettel és biprizmával (kettős prizma) és résen átengedett fénnyel.

Az első tervszerűen végrehajtott interferenciakísérletet 1802-ben Thomas Young (angol orvos, fizikus, festő, zenész, nyelvész) végezte a fény hullámtermészetének bizonyítására. Tőle származik a következő idézet: "Bármennyire is tisztelem Newton nevét, ez nem kötelezhet engem arra, hogy azt higgyem, csalhatatlan volt."

A hullámelmélet igazolására talán a legfontosabb kísérlet Augustin Fresnel mérnök, "szabadidejében fizikus" kettős tükörkísérlete, majd később biprizmás kísérlete volt az 1815-26 közötti időkben.

A kísérlet lényege, hogy egy adott fényforrás fényét két részre osztjuk (csak így lehet koherens), és a két fénysugarat különböző utak megtétele után egy pontba juttatjuk. Ha a két út között megtett útkülönbség a fél hullámhossz páros számú többszöröse, akkor a fénysugarak a találkozás helyén erősítik egymást, ha páratlan számú többszöröse, akkor kioltják egymást. A két út hosszának különbsége azonban nem lehet túl nagy, mert külömben a hullámok elkerülik egymást. Ez a kísérlet csak a fény hullámtermészetével magyarázható.

Ezeket a kísérleteket a XX. század második felében - ekkor már fejlett technikával, - lézersugárral megismételték: 1961 Jönsson.

 

 

 

A fény hullámtermészete a sok kísérlettel igazolódott, de mindenképpen a mechanikus modellhez kapcsolódott. Ez azt mondta ki, hogy a hullám terjedéséhez közegre van szükség és ez a közeg az éter. Egy kérdés azonban nem tisztázódott: Milyen hullám a fény? Longitudinális-e, vagy tranzverzális? Fresnel rövid életében is maradandót alkotott a fény hullámelméletét illetően. A Huygens-elvet precízen megfogalmazta, a hullámjelenségeket matematikailag leírta és a fénypolarizációval igazolta, hogy a fény tranzverzális hullám. Ez azt jelenti, hogy a fényhullámban a rezgések síkja a tovahaladás irányára merőleges. 1817-ben Young is igazolta, hogy a fény tranzverzális hullám.

Így a XIX. század első évtizedeiben eldőlni látszott a vita: a fény természetét illetően: a fény hullám. Angliában még ebben az időben is egyenesen szentségtörésnek számított, erről beszélni és harcolni a Newtoni tanok igazsága ellen. Természetesen akadtak megválaszolatlan kérdések, hogy miféle közeg az, amelyben a fény terjed, a mindent betöltő a hipotetikus éter. Úgy tűnt azonban, hogy az évszázados vita lezárult.

 

És ekkor a - tudományok történetében szokatlan módon - váratlanul teljesen új fejezet nyílt meg a fényelméletek világában.

Az 1820-as években a fizikai kutatások egyik legnagyobb alakja Michael Faraday felfedezte a mágneses indukció jelenségét, amely a továbbiakban a legjelentősebb újkori felfedezések egyikének bizonyult. A Faradaynél 40 évvel fiatalabb James Clerk Maxwell a XIX. század legnagyobb elméleti fizikusa és a klasszikus fizika befejezője célul tűzte ki, hogy a Faraday féle mágneses indukció jelenségének elméleti alapjait megfogalmazza, a matematika nyelvén. Az 1865-ben megjelent művében az elektromágneses tér pontos elméletét adta meg az azóta híressé vált egyenleteivel. A Maxwell-egyenleteknek különös jelentősége, hogy a fizikatörténet egyik csomópontjának az eddigi két külön ága: az elektrodinamika és az optika itt találkoznak.

A Maxwell féle egyenletek megadták az elméleti alapját annak a feltételezésnek, hogy az elektromos és mágnesen tér változásai a térben elektromágneses hullámok formájában terjednek. Ez a merész új gondolat teljességgel érthetetlen volt a kortársak számára, akik még mindig a mechanikai modellekben gondolkodtak. A nehézséget csak fokozta, hogy elektromágneses hullámokat még soha senki - Maxwell idejében - nem tudott kimutatni. A Maxwell féle elektromágneses-hullámhipotézis annyival volt több az eddigieknél, hogy matematikailag tudományosan megalapozott volt. 1890-ben Heinrich Hertz német tudós kísérletileg kimutatta az elektromágneses hullámok létezését, megvizsgálta azok tulajdonságait: terjedés, visszaverődés, törés, sebesség és ezek megfeleltek mindazoknak az elvárásoknak, amelyeket a fénytől elvártak. Így bizonyítást nyert, hogy a fény elektromágneses hullám, amelynek hullámhossza 390nm és 780nm közé esik. Ezzel egyben megdőlt az éter-hipotézis, hiszen az elektromos és mágneses állapotváltozás légüres térben is terjed. Ezzel a Huygens féle hullámhipotézis tudományos elméletté vált.

 

A XIX. század végének egyik kutatási iránya az elektromágneses hullámok további vizsgálata és az ezekből létrehozható technikai újdonságok voltak. (pl.:rádió) Az elektromágneses hullámok spektrumához a rádióhullámok, a hősugárzás, vagy infavörös fény, a látható és ultraibolya fény, a Röntgen- és γ-sugárzás valamint a kozmikus sugárzás tartozik. Ennek a mintegy 60 oktávnyi terjedelmű elektromágneses sugárzásnak csak egy oktávnyi terjedelme az, amit látható fényként szemünkkel érzékelni tudunk.

A további vizsgálatok során az abszorpciós (elnyelési) és emissziós (kibocsátási) törvények magyarázata az elektromágneses hullámokkal mégis zátonyra futott. Az abszolút fekete testek azok a testek, amelyek minden beeső sugárzást elnyelnek, s azt teljesen hővé alakítják. Egy fekete test melegítéskor minden elnyelt energiát elektromágneses hullám formájában sugároz ki és ennek a sugárzásnak a frekvenciája a hőmérséklet függvénye. A minden frekvenciára érvényes sugárzási törvényt Max Planck német fizikus adta meg 1900-ban. A levezetés során Planck azt az új feltevést használta ki, hogy az energiát nem folytonosan, hanem igen kis kvantumokban lehet csak felvenni, vagy leadni. Ezzel Planck a kvantumelmélet megalapítója lett. 1905-ben Albert Einstein adta meg a fénykvantum hipotézis bevezetésével a pontos magyarázatot, amely szerint a fényt E=hν energiájú részecskének kell tekinteni ahol a h=> Planck-féle hatáskvantum, ennek értéke
h= 6,63*10-34 Js, a ν pedig a frekvencia. A legkisebb fénykvantumot Einstein fotonnak nevezte el. Ez már a legújabb kori atomfizika körébe vezet be. Így a fényelméletek szoros kapcsolatba kerültek a XX. század fizikájának leglényegesebb részével, az atomfizikával.

A fényjelenségeket két egymást kizáró, komplementer képpel kell tehát leírni. Az elhajlási, interferencia-jelenségeket a hullámelmélet magyarázza. Míg a fotoefektust (ha fény egyes fémekre esik, akkor elektron válik ki) az abszorpciós és az emissziós jelenségeket részecskeelmélet alapján lehet csak tárgyalni.

A fény esetében tapasztalt részecske- hullám-kettősség vezette Louis de Broglie francia fizikust annak a hipotézisnek a kimondására, hogy a dualitás (kettőség) m nyugalmi tömegű anyagra is érvényes. E szerint minden m tömegű és v sebességű részecskéhez, λ=h/mv hullámhosszú de Broglie-hullám rendelhető. Ezek az anyaghullámok interferálhatnak, és elhajlási jelenségekhez is vezethetnek.

A komplementaritás elve azt mondja tehát ki, hogy a fénynek és az anyagnak is egyrészt hullám, másrészt részecsketermészete van. Hogy melyik oldal realizálódik, az attól függ, hogyan kérdezünk rá, azaz milyen mérőberendezésünk van. A fény keletkezésekkor és elnyelésekkor anyagi természetét mutatja, míg terjedésekkor a hullám természetét.

Az 1600-as évek végének hipotézisei - amelyek a fény természetét próbálták megmagyarázni - a XX. század első évtizedeire végül is nyugvó pontra kerültek.

A kép sokkal összetettebb, és bonyolultabb, mint ahogyan azt 400 évvel ezelőtt elgondolták. Nem lehet a fizikának csak egy résztudományát - a fénytant - vizsgálni, hiszen a természet különböző jelenségei szorosan összefüggnek egymással. A helyes és kielégítő választ csak ezek kölcsönhatásában lehet megadni.

A fénytanon kívül a fizikának sok olyan területe van, amelynek részletes vizsgálata a fénytanhoz hasonlóan sok időt és fáradságot igényelne. Ilyen volt az atomfizika, biofizika, vagy korunk új kihívásait vizsgáló legújabb kutatási program: az űrhajózás is.