Ugrás a tartalomhoz

Fizikatörténeti szöveggyűjtemény

Szegedi Péter (2013)

ELTE-TTK

3 Fénytan a XVII-XIX. században

3 Fénytan a XVII-XIX. században

A fény természetesen olyan feltűnő és fontos jelenség, amellyel már az ókorban is foglalkoztak. Az első században például a Pneumatikájával kapcsolatban már említett (2) Hérón által írt Katoptrika - címéből láthatóan - elsősorban a tükrökkel, tehát a fény terjedésével és visszaverődésével foglalkozott. A görög mérnök szerint a fénysugarak végtelen sebességgel haladnak, és a látás a szemből kiinduló ilyen sugarak révén valósul meg.

Közte, és az általunk szövegrészletekkel bemutatandó időszak között helyezkedik el az arab muszlim Alhazen (Ibn Al-Haitham 965-kb. 1040), különösen Kitab al-Manazir (A látványok könyve, de szokták Optikának vagy Az optika könyvének is fordítani), amely kb. 1027-ben jelent meg. Arisztotelész kísérletezési tilalmával szemben, nála alapozódik meg az a hagyomány, hogy a fénytannal foglalkozók különös előszeretettel végeznek kísérleteket, amivel komoly befolyást gyakorolnak az optikán kívüli természetkutatásra is. Alhazen azt mondja, hogy a különböző forrásokból származó fénysugarak azonos tulajdonságokkal rendelkeznek, de a források között már nem szerepelteti a szemet. A látás ugyanis a tárgyakról visszaverődő fény révén történik, amely folyamatot a camera obscurával, azaz a piciny lukkal ellátott dobozzal modellezi[49]. Úgy gondolja, hogy a látásban az elme is részt vesz, így először vet fel érzékelés-pszichológiai kérdéseket. Objektív vizsgálatokat is végzett azonban a fény visszaverődésével kapcsolatban, mégpedig sík, domború és homorú tükrökkel, amelyhez megalkotott egy megfelelő eszközt is. Fénytöréssel kapcsolatos eredményeit a Nap fényére és a légkörre felhasználva, 15 km-es becslést ad a légkör magasságára. A XVII. századi optikai eredmények (Kepler, Newton, Huygens és mások munkássága) Alhazen gondolatmeneteinek folytatásából születtek. A hatás nem korlátozódott a tudományra, hanem a reneszánsz művészetre (pl. Leonardóra) is kiterjedt.

Az arab forrásokból éppen megszülető európai tudomány a XIII. század közepétől kezd optikával foglalkozni, amikorra a szemüveg tömeges elterjedése is tehető. Erasmus Vitello (Witelo, 1230-1275) felismeri a fényút megfordíthatóságát, azt, hogy a parabolatükör egyetlen fókuszba veri vissza a fényt, és vizsgálja a szivárvány jelenségét. Igen közel jut a törési törvényhez is. Roger Bacont (1220-1292) is Alhazen inspirálta általánosságban abban, hogy a kísérletezést mint a tudás alapját propagálja, konkrétabban pedig, hogy továbbfejlessze a fénytani ismereteket. Vizsgálta a gömbtükrök fényvisszaverését, vagy a szivárványt, pontosan megállapítva, hogy az maximum 42 magasan lehet. Nagyítólencsét használt tudományos vizsgálatokhoz.

A XVI. sz. utolsó évtizedében Hollandiában felfedezték, hogy két lencsét egymás mögé téve a távoli (vagy más módon a közeli) tárgyakat sokkal nagyobbá lehet tenni. Ez a technikai újítás jelentős előrelépést hozott a XVII. század első évtizedétől, mert egyrészt eszközt biztosított többféle kutatási területen is, másrészt kihívást jelentett az optikával foglalkozók számára a távcsövek (vagy mikroszkópok) működésének magyarázata, ami ráadásul hozzájárulhatott továbbfejlesztésükhöz. Az első szempontból Galilei volt a legeredményesebb, aki 1609-ben elkészítve saját távcsövét, elsőként fordított ilyen műszert az égbolt felé, és rövid időn belül több átütő felfedezést is tett (a Hold felszíni alakzataival, a Tejút csillagaival, a Jupiter holdjaival, a Vénusz fázisaival, a Szaturnusz alakjával, a Nap foltjaival kapcsolatban). A második szempontból az áttörés Johannes Kepler (1571-1630) nevéhez fűződik, aki a csillagászattól jut el az optikáig, de először még a távcső nélkül. 1604-ben megjelent AstronomiPars Optica (A csillagászat optikai része) c. művében leírja a fényerősség fordított négyzetes törvényét, a sík és görbe tükrökön való visszaverődést, a camera obscura működését, elsőként a tudomány történetében a látás helyes mechanizmusát (nevezetesen, hogy a szemlencse fordított képet vetít a retinára), és mindezek csillagászati következményeit. 1610-ben azonban Galilei eredményeinek nyomában egy kölcsönkapott távcső segítségével kísérleteket végez, majd sikeresen megmagyarázza a gyűjtő és szóró lencsékből álló együttes működését, felrajzolja a megfelelő sugármeneteket. Bevezeti a valódi és látszólagos valamint az egyenesállású és fordított kép fogalmát, tisztázza a fókusztávolságok szerepét a nagyításban és kicsinyítésben. Mindezeket felhasználva, leír egy új, jobb távcsövet is, amely csak domború lencsékből áll.[50] Előző könyve és az 1611-ben megjelent Dioptrice a német csillagászt a modern optika megalapítójává tették.

A lencsékkel és a belőlük összeállított eszközökkel kapcsolatos alapjelenség a fénytörés. A beesési és visszaverődési szög közötti ókori egyenes arányosságtól a feltevések fokozatosan közelítettek Willebrord Snel van Royen (latinosan Snellius, 1580-1626) 1621-es eredményeihez, amelyek mögött már pontosan kivitelezett mérések álltak több különböző átlátszó anyagot felhasználva. Motivációját régi szerzők - köztük Alhazen - írásai adták, a lehetőséget pedig az biztosította számára, hogy korábban nagy gyakorlatot szerzett szögek mérésében valamint szögfüggvények kezelésében, ugyanis a Föld méretének meghatározása kapcsán ő dolgozta ki a geodézia háromszögelési módszerét.

A fénytörés elméleti magyarázatának a francia Descartes fogott neki, aki 1629-ben azután kezdett el a problémával foglalkozni Hollandiában, hogy Rómából hírt kapott egy melléknap[51] megfigyelésről. Az Értekezés a módszerről c. híres ismeretelméleti művéhez 1637-ben három tanulmányt mellékelt, ezek közül kettő, a La Dioptrique és a Les Météores tárgykörünkkel foglalkozik. A törési törvényt - a látás magyarázata mellett - az elsőben vezeti le. A francia filozófus meglehetősen ellentmondásos képet alkot az anyag szerkezetéről, de a fény visszaverődésének és törésének problémáját úgy oldja meg, hogy a fényt labdához hasonlítja. Modelljéből levezeti a fénytörés szinuszos összefüggését, azzal a feltevéssel, hogy a fény a sűrűbb közegben gyorsabban halad, mint a ritkábban. A második műben ismerteti a szivárvánnyal kapcsolatos kísérleteit és számításait. A kettős töréssel sikerül megmagyaráznia a 42-os szöget. Fejezetünk első szövegei ebből a műből vett részletek.

A fény terjedésére, visszaverődésére és törésére vonatkozó eredményeket a nagy matematikus, Pierre de Fermat (1601-1665) foglalta össze a legrövidebb idő elvében (1660), amely azt mondja ki, hogy a fény két pont között úgy terjed, hogy az egyikből a lehető legrövidebb idő alatt érjen a másikba. A francia tudós ezzel nem csupán a teljes geometriai optikának nevezett jelenségkört ragadta meg, de példát is adott minden más fizikus kollégájának, hogy mire is törekedjen, ha a lehető legegyszerűbben akarja összefoglalni saját tudományterületét.

Hogy a fény tulajdonságai túlterjednek azon, mint amit a geometriai optika magában foglal, azt Grimaldi mutatta meg, amikor felfedezte a fény elhajlását. Második részletünk az ő kísérleti leírásait idézi fel 1663-ból. 1672-ben Hooke megfigyelései megerősítették a diffrakció létezését. Magyarázatul ő azt a hipotézist vetette fel, hogy a fény az éterben terjedő hullám-szerű jelenség. Ennek első igazi elméletét Huygens alkotta meg. Nem tudta másképp elképzelni a fény útját mondjuk a csillagoktól a megfigyelőig, minthogy a Descartes-féle közelhatásnak megfelelően a szomszédos éter-részecskék egymásnak adnak át valamiféle rezgésállapotot (akárcsak a hang esetében). Ebből fejleszti ki a Huygens-elvet, vagyis hogy a hullámtér minden pontja egy új hullámzás forrása, az általunk érzékelt sugarakra merőleges hullámfrontok az elemi hullámok burkolói. Ezzel ugyanúgy meg tudja magyarázni - a diffrakción túl - a fény visszaverődését és a szinuszos törvényt, mint Descartes, azzal a különbséggel, hogy nála az optikailag sűrűbb közegben a fény lassabban halad, nem pedig gyorsabban.

A fény hullámelméletének uralomra jutását mintegy egy évszázadon keresztül Newton tekintélye akadályozta meg. Az angol fizikus ugyanis a korpuszkuláris személetmód segítségével magyarázta az összes fénnyel kapcsolatos jelenséget, beleértve például az általa felfedezett Newton-gyűrűket is, amelyeket ma tipikusan hullámtulajdonságnak tartunk. A hullámelmélet csak a XIX. század elején tudott győzedelmeskedni. Thomas Young (1773-1829) a hanginterferenciával analóg módon feltételezte, hogy a fény is képes az interferenciára, vagyis az eltérő fázisban érkező éterhullámok képesek felerősíteni vagy legyengíteni egymást. Ezt be tudta bizonyítani a látható és az akkor éppen csak felfedezett ultraibolya fényre is. Ő találta ki, az azóta is az interferencia-jelenség legegyszerűbb bemutatására szolgáló kétréses kísérletet 1802 körül. A fény új hullámelméletét így Augustine-Jean Fresnel (1788-1827) az interferenciára alapozta, és ezzel nem csupán újabb, bizonyító erejű kísérletek elvégzésének a lehetőségét biztosította, hanem a legkülönbözőbb alkalmazások felé is megnyitotta az utat (a Fresnel-zónák révén). 1815 után kettejük munkásságával kiteljesedett a mechanikai fényelmélet, amely szerint a fény az éterben[52] haladó transzverzális hullám.

A fenti fényelméletek mind úgy számolják, hogy fény véges sebességgel terjed.[53] Kérdés volt azonban, hogy mekkora ez a sebesség. A kérdésre az első hozzávetőleges választ egy csillagász, Rmer adta meg. Röviden idézzük 1676-os tapasztalatait. James Bradley (1693-1762) szintén csillagászati megfigyelések, nevezetesen az aberráció[54] jelensége alapján már pontosabban is meg tudta becsülni a fénysebességet. Egy évszázaddal később, 1850-ben Jean-Bernard-Léon Foucault (1819-1868) már nem csillagászati, hanem földi (forgótükrös) módszerrel pontosabb értéket adott, s mivel akár egyetlen kísérletben is össze tudta hasonlítani fény levegőben és vízben való haladási sebességét, el tudta dönteni a fény törésével kapcsolatos Descartes-Huygens dilemmát, vagyis, hogy az optikailag ritkább vagy sűrűbb közegben megy-e a fény gyorsabban, azaz, hogy hullám vagy részecske. Hogy az éter ügyében is döntésre jussanak, ő és Armand-Hippolyte-Louis Fizeau (1819-1896) ugyanekkor mozgó vízben is végeztek kísérleteket a fénysebesség mérésére. A XIX. század utolsó negyedében a legpontosabban Michelson tudta mérni a fény sebességét. A fejezetet az ő Morley-val közösen elvégzett híres kísérletével zárjuk, amely a fényről szóló tanulmányokat átvezette a XX. századi relativitáselmélethez.

3.1 René Descartes (1596-1650)

Descartes 16 éves koráig jezsuita iskolában tanult, majd katonaként szolgált, miközben beutazta Európát. Elbeszélése szerint 1619-ben egy téli éjszakán több álmot látott, amelyek megalapozták világnézeti váltását, egy új filozófia kialakítását. Világrendszerét azonban csak kb. 10 évvel később kezdi kidolgozni, amikor a nyugodtabb munka reményében (Rómától távolabb) Hollandiában telepedik le. Az elkészült művet – a Galileivel történetek miatti – félelmében nem adja ki. Életében megjelent munkái: a Discourse de la Méthode (Értekezés a módszerről, 1637), a Meditationes de Prima Philosophia (Elmélkedések az első filozófiáról, 1641) és a Traité des passions d’Ame (A lélek szenvedélyei, 1649). Ezek közül az első – és egyben a leghíresebb – módszertani bevezetőnek készült három tudományos íráshoz: a La Dioptrique (A dioptrika) a látás folyamatát, a szem szerkezetét, a látás és cselekvés kapcsolatát írja le, valamint tartalmazza a fénytörés (ma Snelliusról és Descartes-ról elnevezett) törvényét; a Les Météores (A légköri jelenségek) a légköri jelenségekkel foglalkozik és először magyarázza meg a szivárvány keletkezését; a La Géometrie (A geometria) kapcsolatot teremt a geometria és az algebra között, megalapozza az analitikus geometriát. 1649-ben még távolabb, Svédországba költözik, de hamarosan meghal tüdőgyulladásban.

3.1.1 A légköri jelenségek

A francia filozófus értekezésekre osztott írását általánosabb megfontolásokkal kezdi. Az első értekezés címe: "A földi testek természetéről". Ennek negyedik bekezdése a következőképpen indul: "Feltételezem először, hogy a víz, föld, levegő és minden más ilyen test, amely körbevesz bennünket, sok - különböző alakú és méretű - kis testből áll, amelyek sosem rendeződnek el vagy illeszkednek pontosan egymáshoz úgy, hogy ne maradna köztük egy csomó rés. Felteszem továbbá hogy ezek a rések nem üresek, hanem egy rendkívül finom anyaggal vannak kitöltve, amely - ahogy korábban[55] mondtam - a fényhatásokat közvetíti." Az arisztotelészi minőségeket - a meleget, hideget, nedveset, szárazat - nem önálló végső tulajdonságokként fogja fel, hanem az anyag mozgásából kívánja levezetni. Az értekezés végén világossá teszi, hogy korpuszkuláris elmélete tagadja az atomoknak és az űrnek a létét; minden test ugyanabból a végtelenül osztható anyagból van.[56] A további értekezésekben már tényleg konkrétabb jelenségekkel foglalkozik, a másodikban a gőzökkel és párákkal, a harmadikban a sóval, a negyedikben szelekkel, az ötödikben a felhőkkel.

A hatodik - hó, eső, jégeső - és a hetedik - vihar, villámlás - által adott sorba illeszkedik aztán bele a nyolcadik értekezés "A szivárványról", amelyből részleteket idézünk. Az első mindjárt az értekezés elejéről való, és megismerkedünk a francia fizikus észleléseivel, amelyeket részben természetes körülmények között, részben egy a kísérleteihez használt vízzel töltött üveggömb - amelyet már a La Dioptrique-ben leírt - segítségével vitt végbe. Kihagytuk a prizmával végzett kiegészítő kísérleteit és a színek szórásával kapcsolatos - a közeg tulajdonságainak segítségével történő - magyarázatát.[57] A fonalat ott vesszük fel ismét, ahol beszámol pontos sugármenet-kalkulációiról, és ezek eredményéről, nevezetesen, hogy a különböző pontokon bejövő fénysugarak a törések és visszaverődések után 42 környékén kumulálódnak. Az eljárás részleteit (a geometriai szerkesztéseket és a szögtáblázatokat) azonban már ismét mellőzzük.

A Les Météores a felhők színével és az égitestek körül néha látható körökkel, fényudvarokkal - nyolcadik értekezés -, valamint Descartes kezdeti problémájával, a melléknapokkal - kilencedik értekezés - fejeződik be.

3.1.1.1 A szivárványról

8. értekezés

A SZIVÁRVÁNYRÓL

A szivárvány olyan figyelemre méltó természeti csoda, okát pedig annyira buzgón keresték tehetséges emberek, és olyan kevéssé értették meg, hogy azt gondoltam, semmi más alkalmasabbat nem választhatnék annak bemutatására, hogyan juthatunk el - az általam alkalmazott módszer révén - a tudáshoz, amelyet a rendelkezésünkre álló írások nem tartalmaznak. Először is, tekintettel arra, hogy ez az ív nemcsak az égen jelenik meg, hanem a közelünkben lévő levegőben is, ha ott a Nap által megvilágított vízcseppek vannak, ahogy azt egyes szökőkutaknál láthatjuk, úgy véltem, hogy csakis abból a módból keletkezik, ahogy a fénysugarak ezekre a cseppekre hatnak és azokból a szemünkbe jutnak. Továbbá tudván, hogy a cseppek - ahogy korábban bebizonyosodott[58] - kerekek, és látván, hogy akár nagyobbak, akár kisebbek, az ív megjelenése semmilyen módon nem változott, az az ötletem támadt, hogy csinálok egy nagyon nagyot, hogy jobban vizsgálhassam.

11. ábra. Descartes ábrája a szivárványról.

E célból megtöltöttem vízzel egy nagy üveget, tökéletesen gömb alakút és nagyon átlátszót, és a következőt találtam: ha a napfény mondjuk az égboltnak az AFZ területéről (11 ábra) jött, a szemem pedig az E pontban volt, akkor amikor a gömböt a BCD helyre tettem, a D része teljesen vörösnek tűnt, és a többinél sokkal fényesebbnek; valamint akár közeledtem hozzá, akár távolodtam tőle, akár jobbra tettem magamtól, akár balra, akár megforgattam a fejem körül - feltéve, hogy a DE vonal mindig körülbelül 42 fokos szöget zárt be az EM vonallal, amelyet mintha a Nap középpontjától a szem irányába húznánk - a D rész mindig hasonlóan vörösnek látszott; viszont ha ezt a DEM szöget akár egy kicsit is nagyobbnak választottam, a vörös szín eltűnt; ha pedig a szöget egy kicsit kisebbre vettem, a szín nem tűnt el egyszerre, hanem először mintha két - kevésbé fényes - részre oszlott volna, amelyben sárgát, kéket és más színeket is fel tudtam fedezni. Azután amikor a gömbnek a K-val jelölt részére néztem, láttam, hogy ha a KEM szöget körülbelül 52 fokra állítottam be, a K rész szintén vörös színűnek látszott, de kevésbé fényesnek, mint a D-nél; ha pedig a szöget egy kissé nagyobbra vettem, más kevésbé fényes színek is megjelentek, ha azonban akár egy kicsit is vagy sokkal nagyobb lett, akkor egyáltalán nem voltak színek. Amiből világosan felfogtam, hogy ha az M közelében lévő összes levegő ilyen gömbökkel vagy helyettük vízcseppekkel lenne megtöltve, akkor egy fényes vörös pontnak kellene megjelennie minden úgy elhelyezkedő cseppben, amelyekből az E szemig húzott vonalak körülbelül 42 fokos szöget zárnak be az EM vonallal, ahogy az felteszem az R-rel jelöltekkel történik; és hogy ha mindezekre a pontokra együtt ránézünk, tekintet nélkül a pontos helyzetükre, kivéve a szöget, amely alatt látjuk őket, akkor egy vörös színű folytonos körként kell megjelenniük; továbbá hogy valami hasonlónak kell megjelennie az S-sel és T-vel jelölt pontoknál, amelyekből az E-be húzott vonalak az EM-mel hegyesebb szöget alkotnak - itt kevésbé fényes színű körök lesznek. Ez alkotja az első és fő szivárványt. Továbbá ha a MEX szög 52 fok, akkor egy vörös körnek kell megjelennie az X-szel jelölt cseppekben; és kevésbé fényes színű más köröknek az Y-nal jelölt cseppekben. Ez alkotja a második, kevésbé fontos szivárványt. Végül az összes többi - V-vel jelölt - cseppben egyáltalán nem jelennek meg színek. Amikor részletesebben megvizsgáltam, hogy a BCD gömbben mi tette a D részt látszólag vörössé, azt találtam, hogy a napsugarak, amelyek A-ból B-be jutottak, a B pontnál a vízbe lépve elhajlottak, áthaladtak C-be, ahol visszaverődtek D-be, és ott a vízből kilépvén ismét elhajolva továbbhaladtak az E pontba; mert ha egy átlátszatlan testet vagy ernyőt tettem az AB, BC, CD vagy DE vonalak bármely részébe, a vörös szín eltűnt. És bár lefedtem az egész gömböt, kivéve a B és D pontokat, és mindenhova máshova ernyőket helyeztem, ha nem gátoltam az ABCDE sugarakat, a vörös mindig megjelent. Azután, amikor kerestem a vörös K-ban való megjelenésének okát, azt találtam, hogy azok a sugarak adják, amelyek az F-ből a G-be jutnak, ahol elhajlanak H felé, a H-nál pedig visszaverődnek I-be, ahol ismét visszaverődnek K-ba, végül K-nál elhajlanak és továbbhaladnak E-be. Így az első ívet azok a sugarak okozzák, amelyek két törés és egy visszaverődés után jutnak a szembe, a másodikat pedig más sugarak, amelyek csak két törés és két visszaverődés után érik el a szemet, tehát ez nem mutatkozik olyan gyakran, mint az első.

Az alapvető nehézség azonban megmaradt, nem határoztuk meg, hogy miért - hiszen sok más sugár is van, amely elérheti a szemet két törés és egy vagy két visszaverődés után, amikor a gömb valamilyen más helyzetben van - csak az ismertetett esetekben mutatkoznak meg a színek. ...

...

...nem értettem meg, miért jelennek meg a színek csak bizonyos szögekben, amíg nem vettem a tollam és ki nem számítottam pontosan a vízgömb különböző pontjaira eső sugarak útvonalát, hogy meghatározzam, két törés és egy vagy két visszaverődés után milyen szögekben jutnak be a szembe. Azt találtam, hogy egy visszaverődés és két törés után sokkal több látható sugár van 41 és 42 fok között, mint bármilyen kisebb szögben; és egy sem látható nagyobb szögben. Azt is felfedeztem, hogy két visszaverődés és két törés után sokkal több - a szembe jutó - sugár van 51 és 52 fok között, mint bármely nagyobb szögben, kisebb szögben pedig egy sem jön. Így árnyék van az egyik és a másik oldalon, ez behatárolja a fényt, amely végtelen sok - a Nap által megvilágított - esőcseppen jön keresztül, 42 fok vagy egy kicsit kisebb szög alatt eljut a szembe, létrehozva a külső ívet ...

(Forrás: [Descartes], fordította: Szegedi Péter)

3.2 Francesco Maria Grimaldi (1618-1663)

Az eredetileg filozófiai és teológiai képzettségű bolognai jezsuita érdeklődött a matematika és a természettudományok iránt is. A tanítás mellett szívesen végzett kísérleteket pl. a szabadeséssel kapcsolatban, amelyekkel sikeresen megcáfolta Galilei elméletét, hiszen az általa egy toronyból leejtett ólomgolyók mindig előbb értek le, mint a fagolyók. Az időt ingával mérte. Csillagászati megfigyeléseket is végzett, megpróbálta megmérni a csillagok átmérőjét (valójában persze csak a fényességüket és a távcső torzítását mérte); pontos holdtérképet rajzolt. Mi a halála után megjelent Physico-mathesis de lumine, coloribus, et iride (A fény, a színek és a szivárvány fizikai-matematikai vizsgálata) c. könyvének tételei közül az elsőt idézzük: a fény elhajlására vonatkozó részt.

3.2.1 A fény fizikai-matematikai vizsgálata

Grimaldi e könyvet nem sokkal halála előtt fejezte be, de már csak posztumusz jelenhetett meg. Ez az egyetlen mű, amelyre az ő neve van írva, minden más eredménye egyéb könyvek részleteként került nyilvánosságra. Az írás két könyvből (részből) áll. Az első könyvben az olasz szerző főleg amellett érvel, hogy a fény valami anyag-szerű dolog. Mindjárt témánkkal, azaz a fény diffrakciójával kezdi. Ennek kísérleti részéből idézzük a legfontosabb részleteket. E kísérletek eredményeiből arra következtet, hogy a fény nem állhat részecskékből (korpuszkulákból), hanem inkább valami folyadékszerű anyag. A tapasztaltakat ahhoz hasonlította, mint amikor egy áramló folyadékba testet helyezünk és az széthasítja a folyadékot. Ezért adta a jelenségnek a diffrakció (széttörés) nevet. Az első könyv első felében a fény további terjedési tulajdonságaival (visszaverődés, törés) folytatja. Az első könyv második fele foglalkozik - a mű címének megfelelően - a színekkel és a szivárvánnyal. A második könyvben - szemben az elsővel - Grimaldi amellett érvel, hogy a fény nem anyag, hanem valamilyen anyagnak (leginkább folyadéknak) a tulajdonsága, és érzékelteti, hogy ő is inkább ezen a véleményen van. Természetesen ezen a módon is tagadja a fény korpuszkuláris jellegét. Az egész könyv egyébként nem keltett túl nagy feltűnést, de az elején szereplő jelenség híre elterjedt, így arról pl. Hooke és Newton is értesült.

3.2.1.1 A fény diffrakciójáról

I. TÉTEL

A fény nem csak egyenesen, töréssel és visszaverődéssel terjed, hanem még egy negyedik módon is - DIFFRAKCIÓVAL.

...

Első kísérlet

7. Egy ablak zsaluján egy nagyon kis AB lyukat (12 ábra) csinálunk, és rajta keresztül a nagyon tiszta égboltról beengedjük a napsugarat a szobába, amely egyébként zárva van, úgyhogy sötét. Ez a fény egy ACDB kúpban fog szóródni, és akkor válik láthatóvá, ha a levegő tele van porral, vagy valamennyi füstöt engedünk bele. Ebbe a kúpba behelyezünk egy EF átlátszatlan testet az AB lyuktól nagy távolságra, és így az átlátszatlan testnek legalább az egyik vége meg lesz világítva. Ekkor az említett kúpot kapjuk egy fehér asztalon vagy a padlóra fektetett fehér papírlapon, és látszik a CD megvilágított alapja a GH árnyékkal, amelyet az EF átlátszatlan test vet, amelyet a kúpba tettünk és megvilágítottunk akár az E, akár az F végén. Ez az árnyék az optika törvényei szerint nem lesz pontosan meghatározott és nem ér pontosan véget az egyik oldalon a G, a másik oldalon a H pontban; hanem az AB lyuk szélessége, a Nap oldalirányú kiterjedése és más okból, az árnyék széle valamilyen mértékben bizonytalan lesz, az úgynevezett félárnyék következtében, és a fény érezhetően csökken, vagy ahogy mondani szokták, elhalványul az árnyék és a fény között az IG távolságon az alap egyik oldalán, a HL távolságon a másikon.

12. ábra. Grimaldi ábrája az akadály mögötti fényelhajláshoz.

8. Amit kiváltképpen észre kell vennünk, az az, hogy az IL árnyék valójában jelentősen nagyobbnak látszik, mint amilyennek akkor kellene, ha feltételezzük, hogy az egészet az AB-ből az EF akármelyik vége felé tartó egyenes vonalak határozzák meg, mint azt az ábra mutatja, és nagyobb, mint amit számítással le tudnánk vezetni a BF és FI adott távolságokból valamint az AB és EF méretekből, továbbá az ábrán látható háromszögek megoldásához szükséges összes szögből, ahogy azt mi magunk gyakran bebizonyítottuk próbálgatással. Röviden e témáról: az AFE háromszög három oldalából a trigonometria segítségével megkapjuk az A szöget, ezzel az AGL háromszögben az AG vagy AL oldallal és a megfigyelt G szöggel nyerjük GL-t. Azután az AFB háromszögben, amelyet egyenlő szárúnak vehetünk, a három adott oldalból tudjuk az F szöget és a vele egyenlő IFG csúcsszögét; amellyel az IGF háromszögben az FI távolsággal és a megfigyelt I szöggel együtt nyerjük az IG vonalat, amelyet a már megkapott GL vonalhoz adva kiadja nekünk az IL alapnak azt a kívánt méretét, amilyennek lennie kellene, ha az egész szóródást egyenes vonalak határoznák meg az EF átlátszatlan test által megszakított fénykúpban. Ezek a háromszögek nagyon hegyesek, úgyhogy nagy sugarakra kiterjesztett táblázatok szükségesek, de a megoldás mégsem lehetetlen. Így aztán az ábrán elhelyezhetjük az árnyékot a számítás alapján, és amikor a fenti módon levezetjük az egyenesen húzott vonalakból, az IL-nek adódik; a megfigyelés során mutatkozó igazi árnyék azonban az MN lesz.

9. Ráadásul, ha megfigyeljük a terület CM vagy ND részét, amely fényesen és erősen van megvilágítva, láthatóak lesznek bizonyos színes fényű sávok vagy csíkok, olyan jellegűek, hogy bármelyikük közepén a fény nagyon tiszta és világos, de a széleiken van valamilyen szín, mindig kékes az MN árnyékhoz közelebbi szélén és vöröses a másikon. Ezek a fényes csíkok láthatólag az AB lyuk méretétől függenek - mert nem észlelhetőek, ha az nagyon nagy -, de mégsem határozzák meg teljesen. A Nap átmérőjének nagysága sem határozza meg ezeket, mint az később ki fog derülni.

10. Megfigyelhető továbbá az említett színes fényű sávokkal vagy csíkokkal kapcsolatban, hogy amint M-től C felé (és ugyanez mondható el az N és D közötti többiről) húzódnak, az első szélesebb a másodiknál, a második pedig szélesebb a harmadiknál (még sosem történt meg, hogy háromnál több volt látható). A fényük és a színük erőssége egyaránt csökken, ahogy távolodnak az árnyéktól. Az egyes csíkok szélesebbek és távolabb vannak egymástól, ha a fehér asztal, amelyen felfogjuk őket, távolabb van az árnyékot vető átlátszatlan testtől, és ha ferdébb a Nap sugárzásához képest. Ez magától értetődő, mert a fénykúp sugarai hozzák létre őket, amelyek egyre inkább szétválnak egymástól, amint tovább haladnak.

13. ábra. Grimaldi ábrája a fénycsíkokhoz.

11. Talán akadhat olyan, aki - mert ez a megfigyelés nem sikerült neki - nem akarja elismerni, hogy az említett csíkok fénycsíkok, ahogy mi mondtuk, hanem inkább árnyékcsíkoknak nevezné őket, mert nem fordított elég figyelmet azokra a homályos színekre, amelyek ezeknek a fénycsíkoknak a szélein megjelennek. Ezt világosabban meg tudjuk magyarázni a következő rajzon (13 ábra), ahol az átlátszatlan test által az asztalra vagy a fehér papírlapra vetett X árnyék mentén három ilyen fényes csíkot ábrázoltunk, amelyek mindegyike három szalagot tartalmaz. Az első és legszélesebb csík az NMO, amelynek a közepén van az M, mindegyik közül a legszélesebb és legfényesebb tartomány, amely nem színes, de két kisebb szalag határolja, amelyek színesek, egyikük, az árnyékhoz közelebbi N, kékes, a másik - O - pedig vöröses. A második, QPR csík keskenyebb, mint az első, a közepén van P, egy fényes, színtelen szalag, amelyet két színes, de nem fényes szalag határol; az árnyékhoz közelebbi Q kékes, a másik - R - pedig vöröses. A harmadik TSV csík a legkeskenyebb. Az S fényes szalag van a közepén, a szélein pedig két, kevésbé feltűnő színes szalag helyezkedik el, amelyek közül a T kékes, a V pedig vöröses.

...

Második kísérlet

14. ábra. Grimaldi ábrája a lyuk szélén előforduló fényelhajláshoz.

25. Talán egy ujjnyi szélességű nyílást készítettünk egy jól elsötétített szoba ablakredőnyén, és ebben a nyílásban elhelyeztünk egy vékony AB átlátszatlan lemezt (14 ábra), és e lemez nagyon keskeny CD nyílásán keresztülengedve a napfényt, az egy fénykúpot alkot. Az AB lemeztől nagy távolságra elhelyeztünk egy másik, EF lemezt, amely e kúpot derékszögben metszette. Ezen is van egy kis GH lyuk, amely az EF lemez által megszakított, fent említett fénykúp egy részét átengedi. Ezt a lemezt úgy helyeztük el, hogy a kúp alapja jelentősen meghaladja a GH lyuk méretét, úgyhogy az egész lyuk meg legyen világítva vagy ki legyen töltve fénnyel. Ekkor a fény, amely keresztülhalad a GH lyukon, ismét egy kúpot - vagy majdnem egy kúpot - alkot. Amikor ezt merőlegesen elvágjuk, vagy véget ér egy sima fehér felületen, akkor e felületen egy IK megvilágított alapot mutat, amely jelentősen nagyobb, mint amit a két lyukon keresztülhaladó egyenes vonalak mentén terjedő sugaraknak ki kéne adniuk, nemcsak azok esetében, amelyek a két lyuk éleit ugyanazon az oldalon érintik, mint a CGL vagy a DHM, hanem még azoknál is, amelyek az ellenkező oldalakat érintik, mint a DGN és a CHO. ...

26. Ahhoz, hogy a kísérlet sikerüljön, fényes napsütés szükséges, mert - ahogy mondtuk - a lyukaknak nagyon kicsinyeknek kell lenniük, különösen az elsőnek, a CD-nek, azonkívül az IK alapot fogadó fehér felületnek nagy távolságra kell lennie a GH lyuktól, máskülönben a megfigyelt alap egyáltalán nem, vagy csak egy kissé lesz nagyobb a számítással levezetett NO alapnál. ...amikor a megfigyeléseket nyáron a nap közepén tiszta égbolt mellett végeztük, a megfigyelt IK alap annyival nagyobb volt a számított NO alapnál, hogy lehetetlen volt megfigyelési hibának tulajdonítani.

Továbbá nem kéne elfelejteni, hogy az IK megvilágított alap tiszta fénnyel elöntve középen jelenik meg, és bármelyik szélén a fénye színes, részben vöröses, részben szintén erősen kékes.

...

(Forrás: [Grim], fordította: Szegedi Péter)

3.3 Christiaan Huygens

Huygens életével és munkásságával már korábban foglalkoztunk (1.4).

3.3.1 Az Értekezés a fényről

A Traité de la Lumiere (1690) 6 fejezetből áll. Az első az egyenes vonalakban terjedő sugarakról szól, és a szerző hullámelméletének alapjait fejti ki. Az 1660-as években Hooke a Newtonnal folytatott vitában már hangoztatta, hogy a fény az éternek valamiféle rezgése, de nem tudott igazán meggyőző lenni. Huygens először rögzíti, hogy az egyenesen (pontosabban minden irányban sugarasan, tehát gömbszerűen) terjedő fénynek időre van szüksége, hogy a forrásból egy adott pontba érjen. Ehhez Rmernek a Jupiter-holdak késéseivel kapcsolatos megfigyeléseit hozza fel érvnek. Ezután a terjedés mechanizmusát próbálja modellezni, elsősorban Descartes közelhatás-elmélete alapján. E szerint az éter részecskéi egymásnak adják át a lökéseket, de ők maguk lényegesen nem mozdulnak el. Ezt a fajta mozgást a hang terjedéséhez hasonlítja (bár tárgyalja a különbségeket is). Így jut ahhoz a hullám-felfogáshoz, mely szerint egy hullámfront minden pontjából elemi hullámok indulnak ki, ezek tovaterjednek, és felösszegeződve alkotják a következő hullámfrontot, amely a kis hullámok burkolójaként értelmezhető. Idézeteinket egy erre vonatkozó részlettel kezdjük. Huygens csak ezzel az elmélettel tudja elképzelni, hogy az egyes kis lökések nagy (csillagászati) távolságon is érzékelhetőek maradnak. Ezt a modellt nevezik Huygens-elvnek, amelynek segítségével a holland fizikus a második fejezetben megmagyarázza a fény visszaverődését. E fejezet elejéből szintén adunk egy részletet, amely az elvi alapokat fejti ki egy abszolút sima tükör esetében. A nem ideális felületekre vonatkozó meggondolásokat már mellőztük. A harmadik fejezetből - amely a fénytörésről szól - is kihagytuk az éter és az anyag kapcsolatáról szóló részt, valamint a törési törvényt, csak a törésnek a hullámelmélettel való magyarázatát fordítottuk le, mégpedig az optikailag ritkább közegből a sűrűbbe való áthaladáskor, a fordítottját már nem idézzük, ahogy a teljes belső visszaverődés és a Fermat-elv hasonló magyarázatát sem. A negyedik fejezetben ismerteti a szerző a légköri fénytörés jelenségeit (pl. a Nap előbb látszik felkelni, mint kellene), az ötödik fejezetben pedig – a kor egyik legizgalmasabb problémáját – az izlandi pátbankettéváló fényutakat. A fejezet elejéről nem idézzük az izlandi pát és a kettős törés - Bartholinéhoz hasonló - leírását, a szögek pontos mérését, hanem a jelenség Huygens-féle magyarázatának legfontosabb részeit fordítottuk le. Huygens az alapjelenség okait meglehetősen modernnek ható módon a kristályszerkezetben próbálja megtalálni. A páttal végzett kísérletei közben felfedezte a polarizáció jelenségét is, ugyanis megfigyelte, hogy a kettévált sugarakat ismét egy darab pátra bocsátva, azok már nem válnak újra ketté. Beismeri, hogy elmélete nem elegendő ennek magyarázatára, de azért a beszámolót mások elé tárja, hátha további feltevésekkel sikert érhetnek el. A hatodik fejezetben az elméletet alkalmazza az átlátszó testekre (pl. lencsék). A könyv eredeti kiadása függelékként tartalmazza még a Discourse de la cause de la pesanteur (Tanulmány a nehézkedés okáról) c. írást, amelyben elutasítja az általános tömegvonzás elméletét, bár elfogadja a newtoni bolygómozgás-elméletet.

Huygens hullámelmélete Newton korpuszkuláris elméletével szemben – az angol fizikus tekintélye miatt – nem tudott teljes és azonnali győzelmet aratni, de a következő évszázad kísérleti eredményei valamint a Young- és Fresnel-féle továbbfejlesztések végül igazolták a holland tudós elképzeléseit.

3.3.1.1 A Huygens-elv

I. FEJEZET

AZ EGYENES VONALBAN TERJEDŐ SUGARAKRÓL

...

E hullámok terjedésének tanulmányozásakor figyelembe kell még vennünk, hogy az anyag - amelyben egy hullám terjed - minden egyes részecskéje, nemcsak a következő részecskével közli a mozgását, amely a világító ponttól húzott egyenesen van, hanem szükségszerűen mozgásba hozza az összes többit is, amely megérinti és amely akadályozza a mozgását. Az eredmény az, hogy minden egyes részecske körül keletkezik egy hullám, amelynek ez a részecske a középpontja. Így, ha DCF egy hullám, amely az A világító pontból - a középpontjából - jön (15 ábra), akkor B, a DCF gömbben lévő részecskék egyike, előidézi a maga KCL részhullámát, amely a DCF hullámot C-ben ugyanabban a pillanatban érinti, amikor az A pontból jövő főhullám eléri DCF-et; és érthető, hogy a KCL hullám egyetlen pontja, amely a DCF hullámot érinteni fogja, az a C pont, amely az AB-be húzott egyenes vonalon van. Ugyanígy a DCF gömbben lévő többi részecske, mint bb, dd és így tovább, mind létre fogják hozni a saját hullámukat. Mindezek a hullámok azonban csak végtelenül gyengék lehetnek a DCF hullámhoz képest, amelynek összetételéhez mindegyik másik hozzájárul felületének azzal a részével, amely legtávolabb van az A középponttól.

15. ábra. A Huygens-elv ábrája.

...

II. FEJEZET

A VISSZAVERŐDÉSRŐL

Miután megmagyaráztuk a homogén anyagban terjedő fényhullámok hatásait, most azt nézzük meg, hogy mi történik velük, amikor más testekkel találkoznak. Először azt mutatjuk meg, hogyan magyarázható a fény visszaverődése ezeknek a hullámoknak a segítségével, és miért lesznek a szögek egyenlőek.

Legyen AB valamilyen üveg, fém vagy más test sík és lecsiszolt felülete (16 ábra), amelyet először tökéletesen simának fogok tekinteni (e rész végére halasztva a test szükségszerű szabálytalanságainak tárgyalását), és tegyük fel, hogy az AB-re rézsútos AC vonal egy olyan fényhullám egy részét ábrázolja, amelynek középpontja annyira messze van, hogy az AC részt egyenes vonalnak vehetjük. Mindent egy síkban képzelek el, feltételezve, hogy az ábra síkja a hullámgömböt a középpontjában, az AB síkot pedig merőlegesen metszi. Ez a megállapodás egyszer s mindenkorra fennáll.

16. ábra. A fény visszaverődésének ábrája.

Az AC hullám C része egy bizonyos idő alatt az AB síkon lévő B pontba ér a CB egyenes vonal mentén, amelyről feltehetjük, hogy a világító középpontból jön, és következésképpen merőleges AC-re. Ugyanezen idő alatt, ugyanennek a hullámnak az A részének, amely - legalább részben - akadályozva volt abban, hogy mozgását közölje az AB sík alatti testtel, folytatnia kell a sík feletti anyagban, egy CB-vel egyenlő távolságon keresztül, létrehozva a saját rész-gömbhullámát, a korábban már mondottaknak megfelelően. Ezt a hullámot itt az SNR körív ábrázolja, amelynek A a középpontja, az AN sugara pedig egyenlő CB-vel.

Ha most továbbmenve megvizsgáljuk az AC hullám egyéb H részeit, akkor kitűnik, hogy ezek nemcsak elérik a CB-vel párhuzamos HK egyenes vonalak mentén az AB felületet, hanem még a K középpontokból kiinduló rész-gömbhullámokat is létrehoznak a közegben, amelyeket itt KM-mel egyenlő sugarú körívek ábrázolnak, azaz akkorák, mint a HK-k meghosszabbításai az AC-vel párhuzamos BG egyenes vonalig. Mindezen köríveknek azonban van egy közös érintőjük, a BN egyenes vonal, az a vonal, amelyik egy B-ből húzott érintő az A középpontú és a BC-vel egyenlő AN sugarú első körig - mint az könnyen látható.

Ezért a BN vonal (amelyet a B és N pontok határolnak, utóbbi az A-ból jövő merőleges végpontja), amelyet mondhatni az összes körív formált, és amelyben végződik az AC hullámnak a visszaverődés által elindított mozgása; és egyben az a hely is, ahol a mozgás sokkal nagyobb, mint bárhol máshol. Ezért, ahogy magyaráztuk, BN az a hely, ahova az AC hullám elért abban a pillanatban, amikor a C része elérte B-t. Ugyanis BN-et kivéve nincsen másik vonal, amely az összes kör közös érintője lenne, hacsaknem a BG az AB sík alatt; amely BG akkor lenne a hullám által elért hely, ha a mozgás továbbhaladhatna a sík felettivel egynemű anyagban. Ha látni akarjuk, hogyan jut el az AC hullám fokozatosan BN-be, akkor csak meg kell rajzolnunk ugyanezen az ábrán a BN-nel párhuzamos KO vonalakat, valamint az AC-vel párhuzamos KL vonalakat. Akkor látni fogjuk, hogy az eredetileg egyenes vonalú AC hullám rendre megtörik az összes OKL vonalban és az NB-ben válik újra egyenes vonallá.

Feltűnik továbbá, hogy a visszaverődés szöge egyenlő a beesés szögével. Minthogy az ACB, BNA derékszögű háromszögeknek közös az AB oldaluk, a CB oldal pedig egyenlő NA-val, az ezekkel az oldalakkal szemben lévő szögek egyenlőek, következésképpen a CBA, NAB szögek is. Mivel azonban a CA-ra merőleges CB mutatja a beeső sugár irányát, és a BN hullámra merőleges AN mutatja a visszavert sugár irányát - ennélfogva ezek a sugarak egyenlő szögeket zárnak be az AB síkkal.

...

III. FEJEZET

A TÖRÉSRŐL

...

Ezeknek a jelenségeknek az elveink segítségével történő magyarázatához vegyük az AB egyenes vonalat (17 ábra), amely a C és D oldalon lévő átlátszó testeket egymástól elválasztó síkot ábrázolja. Amikor síkról beszélek, nem azt gondolom, hogy a felület tökéletesen sima, hanem úgy értem és ugyanazért, mint a visszaverődés tárgyalásakor. Az AC vonal ábrázolja a fényhullám egy részét, amelynek középpontja annyira messze van, hogy ezt a részt egyenes vonalnak lehet tekinteni. Az AC hullám C része ekkor egy bizonyos idő alatt eljut az AB síkig a CB vonal mentén, amelyről azt képzeljük, a világító középpontból jön, következésképpen AC-t derékszögben metszi. Most ugyanennyi idő alatt az A rész G-be jut a CB-vel párhuzamos és egyenlő AG vonal mentén, a hullám egész AC része pedig GB-ben lesz, ha az átlátszó test anyaga a hullámmozgást ugyanolyan gyorsan adja tovább, mint az éter. Tegyük fel azonban, hogy kevésbé gyorsan adja tovább, mondjuk az egyharmadával lassabban. Ekkor a mozgás az A pontból az átlátszó test anyagában a CB kétharmadával egyenlő mértékben terjed szét, létrehozva a maga rész-gömbhullámát, ahogy korábban mondtuk; ekkor ezt a hullámot az SNR körív ábrázolja, amelynek középpontja A, a sugara pedig egyenlő a CB kétharmadával. Ha most tovább vizsgáljuk az AC hullám többi H részeit, akkor kitűnik, hogy az alatt az idő alatt, míg C a B-be jut, ezek nemcsak elérik a CB-vel párhuzamos HK vonalak mentén az AB felületet, hanem még a K középpontokban részhullámokat is keltenek az átlátszó testben, amelyeket itt a KM vonalak kétharmadával (azaz a HK BG felé történő meghosszabbításának kétharmadával) egyenlő sugarú körívek ábrázolnak; ezek a körsugarak egyenlőek lennének a KM vonalakkal, ha a két test egyformán áthatolható lenne.

17. ábra. A fénytörés ábrája.

Most mindezen köríveknek van egy BN közös érintő egyenes vonaluk, az a vonal, amely a B pontból érintő az SNR körívhez, amelyet elsőként tárgyaltunk. Könnyen látható, hogy minden más körív ugyanazt a BN vonalat fogja érinteni B-től az N érintkezési pontig - ez az a pont, melynél AN merőlegesen metszi BN-et.

Ekkor mondhatni a BN az, amelyet e körök apró ívei formáltak, amelyben az AC hullám által az átlátszó testnek átadott mozgás végződik, és amelyben ez a mozgás sokkal nagyobb mértékű, mint bárhol máshol. Ezért ez a vonal, ahogy már többször mondtuk, amelyet az AC hullám elért abban a pillanatban, amikor C része elérte a B-t. Ugyanis BN-t kivéve nincsen másik vonal az AB sík alatt, amely az összes részhullám közös érintője lenne. Ha most meg akarjuk tudni, hogyan jutott el az AC hullám fokozatosan BN-be, akkor csak meg kell rajzolnunk ugyanazon az ábrán a BN-nel párhuzamos KO vonalakat valamint az AC-vel párhuzamos KL vonalakat. Akkor látni fogjuk, hogy a CA hullám, amely egy egyenes vonal volt, rendre megtört az LKO vonalakba, aztán ismét egyenes vonallá válik a BN-ben. Minthogy ez nyilvánvaló abból, amit már bizonyítottunk, nincs szükség további magyarázatra.

Ha most ugyanezen az ábrán vesszük az EAF-et, amely az AB síkot derékszögben metszi az A pontban, és megrajzoljuk AD-t az AC hullámra merőlegesen, akkor DA ábrázolja a beeső sugarat, a BN-re merőleges AN pedig a megtört sugarat; mivel a sugarak nem mások, mint azok az egyenes vonalak, amelyek mentén a hullámok részei terjednek.

Ebből könnyű levezetni a törés fő tulajdonságát, nevezetesen, hogy a DAE szög szinusza mindig ugyanolyan arányban áll az NAF szög szinuszával, akármilyen is a DA sugár hajlásszöge, és hogy ez az arány ugyanaz, mint az AE oldali testben lévő hullámok sebességének aránya az AF oldali testben lévő hullámok sebességéhez. Ha ugyanis AB-t egy kör sugarának tekintjük, a BAC szög szinusza BC, az ABN szög szinusza pedig AN. A BAC szög azonban egyenlő DAE-vel, mert CAE-vel mindkettőjük derékszöget alkot. Az ABN szög egyenlő NAF-fel, mivel mindkettőjük derékszöget alkot BAN-nel. Így DAE szög szinusza úgy aránylik NAF szög szinuszához, mint BC az AN-hez. Az BC és AN aránya azonban ugyanaz, mint a fény sebességeinek aránya az AE oldali anyagban az AF oldalihoz viszonyítva; így aztán a DAE szög szinusza úgy aránylik az NAF szög szinuszához, mint a két fénysebesség egymáshoz.

...

3.3.1.2 Kettős törés és polarizáció

V. FEJEZET

AZ IZLANDI KRISTÁLY KÜLÖNÖS TÖRÉSÉRŐL

...

18. Minthogy két különböző törés van, azt gondoltam, hogy a fényhullámoknak két különböző kiáradásuk is van, és hogy egyikük a kristály testében elosztott éteranyagban történhet. Ez az anyag - lévén sokkal nagyobb mennyiségben, mint a testet alkotó részecskék - egyedül képes a test átlátszóságát okozni, ahogy korábban elmagyaráztam. A hullámok eme kiáradásának tulajdonítottam az ebben a kristályban megfigyelt reguláris törést, feltételezve, hogy ezek a szokásos gömbhullámok, és hogy a kristályban lassabban terjednek, mint kívüle; amely feltevésből megmutattam a törés bekövetkeztét.

19. Ami a másik kiáramlást illeti, amely az irreguláris törést hozza létre, megpróbáltam meghatározni, hogy milyen elliptikus vagy inkább szferoid hullámok felelnének meg; amelyekről feltételeztem, hogy nemcsak a kristályban elosztott éteranyagban, hanem az őt alkotó részecskékben is szétterjed, annak megfelelően, ahogyan utoljára az átlátszóságot magyaráztam. Úgy tűnt számomra, hogy ezeknek a részecskéknek a helyzete, vagy szabályos elrendezése hozzájárulhat a szferoid hullámok kialakulásához (mivel ennek egyetlen előfeltétele, hogy a fény mozgása egy kicsit gyorsabban történjen az egyik irányban, mint a másikban), és nem kételkedtem benne, hogy ebben a kristályban megvan az egyforma és hasonló részecskéknek egy ilyen elrendezése, az alakja és szögeinek biztos és változatlan mérete miatt. Ami ezeket a részecskéket, alakjukat és elrendezésüket illeti, ennek az értekezésnek a végén elő fogom adni feltevéseimet, továbbá az azokat megerősítő néhány kísérletet.

...

Feltételezve tehát a gömbhullámokon kívül ezeket a szferoid hullámokat, elkezdtem vizsgálni a kérdést, hogy vajon megmagyarázható-e velük az irreguláris törés jelenségei, és hogy magukkal ezekkel a jelenségekkel meg tudom-e határozni a szferoidok alakját és helyzetét; amely vizsgálatokban végül elértem a kíván sikert ...

(Forrás: [Huy], fordította: Szegedi Péter)

3.4 Ole Christensen Romer (1644-1710)

A dán csillagász az izlandi pát (3.3.1) kettős törését felfedező Rasmus Bartholin (1625-1692) tanítványa, majd asszisztense volt (utóbb a lányát is feleségül vette). Később Párizsba költözött, ahol egy évtizeden át a Napkirály fiát tanította, de a versailles-i kastély szökőkútjainak építésében is közreműködött. A nantes-i ediktum[59] visszavonása után hazaköltözött, és a koppenhágai egyetemen matematikát tanított. Jelentős szerepet játszott Dániában a nemzeti mértékegység-rendszer, a gregorián naptár valamint az utcai világítás bevezetésében. Utolsó éveiben Koppenhága rendőrfőnökeként szolgált.

3.4.1 A fény terjedéséről

Galilei a Jupiter holdjainak felfedezése után felvetette az ötletet, hogy e holdak keringését mintegy óraként használhatnák a hajósok, és ezzel megoldható lenne a kor egyik központi kereskedelmi - és ezáltal tudományos - problémája: a hosszúsági fokok meghatározása a tengeri navigáció számára. Ez az oka annak, hogy Rmer már párizsi tartózkodása előtt is részt vett a legbelső nagy hold, az Io fedéseinek megfigyelésében, és ezt a munkát Párizsban is folytatta. A holdak keringési idejei azonban változásokat mutattak, ez pedig megnehezítette óraként történő felhasználásukat. Mások és a saját több éves megfigyelései alapján a dán csillagász megállapította, hogy a periódusidők rövidülnek, amikor a Föld a Jupiter felé közeledik, és hosszabbodnak a távolodáskor. A jelenséget a fény sebességével hozta összefüggésbe, és erről be is számolt a Francia Tudományos Akadémia előtt. Az előadást valaki leírta és két héttel később megjelentette a Journal des scavans c. folyóiratban "Démonstration touchant le mouvement de la lumiere trouvé par M. Römer[60] de lAcadémie Royale des sciences" (Monsieur Rmer előadása a Királyi Tudományos Akadémián a fény terjedéséről) címmel. Rmer sosem írta le eredményeit, és minthogy a közlő maga nem értette teljesen az előadást, nem tudjuk pontosan, hogy mi hangzott el. A mindössze három oldalas beszámolóban nem szerepel a fénysebességnek a tárgyalt jelenségből kiszámított értéke, csupán egy nagyságrendi szemléltetést kapunk az elején: a fény a Föld átmérőjének megfelelő távolságot kevesebb, mint egy másodperc alatt teszi meg. Ez 12.000 km/sec-ot jelentene. Ha a dán csillagász nem tette meg, akkor adataiból az első pontosabb becslést Huygens végezte el az Értekezés a fényről I. fejezetében (3.3.1), ahol kb. 200.000 km/sec-ról beszél. Rmer érvelése és az így kapott eredmény nem vált azonnal általánosan elfogadottá, mintegy fél évszázadot kellett várni, míg - szintén csillagászati megfigyelések, nevezetesen az ún. aberráció révén - meggyőző megerősítést nyert.

3.4.1.1 A fény sebességéről

A filozófusok már jó ideje igyekeznek valamilyen kísérlettel eldönteni, hogy a fény hatása egy pillanat alatt elér akármilyen távolságba, vagy pedig időt vesz igénybe. A Királyi Tudományos Akadémián Römer úr a Jupiter első holdjának megfigyelésére alapozva kitalálta ennek egy módját, amelynek révén megmutatta, hogy egy kb. 3.000 mérföldes[61] út megtételéhez - amely majdnem megfelel a Föld átmérőjének - a fénynek nincs szüksége egy másodpercre sem.

Ábrázolja A a Napot (18 ábra), B a Jupitert, C az első holdat, amint belép a Jupiter árnyékába, D, ahol ismét kilép, és ábrázolja EFGHLK a Földet a Jupitertől különböző távolságokra.

18. ábra. R\omer ábrája.

Tegyük fel, hogy amikor a Föld az L-ben van, közel a Jupiter második negyedéhez[62], megfigyeltük az első holdat éppen amikor kilép az árnyékból D-nél; és hogy körülbelül 42 és fél órával később, azaz e hold egy keringése után, amikor a Föld a K-ban van, ismét látjuk, ahogy visszatér D-be. Ekkor világos, hogy ha a fénynek időre van szüksége az LK távolság megtételéhez, akkor a hold később látszik visszatérni a D-be, mint akkor kellene, ha a Föld K-ban maradt volna, úgyhogy e holdnak a felbukkanások által meghatározott keringése annyival hosszabb lesz, amennyit a fénynek meg kell tennie L-től K-ig, míg ezzel szemben a másik FG negyedben, amelyben a Föld a fény felé halad, a bemerülés által meghatározott keringések annyival fogyni látszanak, amennyivel a felbukkanások által meghatározottak növekedni tűntek. Minthogy a hold minden egyes keringéséhez szükséges 42 és fél óra alatt a Föld és a Jupiter közötti távolság bármelyik negyedben a Föld átmérőjének 210-szeresével változik, ebből az következik, hogy ha egy másodpercre van szüksége a fénynek a Föld átmérőjének megtételéhez, akkor a fény 3 és fél perc alatt teszi meg az FG és KL távolságokat, és ez körülbelül egy negyedóra felényi különbséget eredményezne az első hold keringési idejeiben, ha az egyik megfigyelést az FG-ben, a másikat pedig KL-ben végeznék, de érzékelhető különbség nem észlelhető.

Ebből azonban nem következik, hogy a fénynek nincsen szüksége időre; ugyanis miután a dolgot közelebbről megvizsgálta, úgy találta, hogy ez a különbség, amely két keringés alatt nem volt érzékelhető, nagyon tekintélyessé vált, ha sokat vett egyszerre, és hogy például 40 az F oldalról megfigyelt keringés észrevehetően rövidebb volt, mint 40 a másik oldalról megfigyelt, akármilyen helyzetben is volt a Jupiter az Állatövben, és ez 22-es arányban volt a HE távolsággal, amely a Föld Naptól való távolságának kétszerese.

A fény késésére vonatkozó ezen új egyenlet szükségességét azok a megfigyelések alapozták meg, amelyeket a Királyi Akadémián és a Csillagvizsgálóban az utóbbi 8 évben végeztek, és amelyet újabban megerősített az első hold Párizsban november 9-én este 5h 35 45"-kor megfigyelt felbukkanása, amely 10 percet késett az augusztus havi - amikor a Föld sokkal közelebb volt a Jupiterhez - megfigyelésekből várhatóhoz képest, amit Römer úr szeptember elején megjósolt az Akadémiának.

Hogy minden kétséget eloszlasson azzal kapcsolatban, hogy ezt az egyenlőtlenséget a fény késése okozza, bebizonyítja, hogy az nem jöhet semmilyen excentricitásból vagy bármilyen más okból, amit általában javasolni szoktak a hold vagy más bolygók rendellenességeinek magyarázatára. ...

(Forrás: [Romer], fordította: Szegedi Péter)

3.5 Albert Abraham Michelson (1852-1931) és Edward Williams Morley (1838-1923)

Michelson Németországban született, de két év múlva családja emigrált az Egyesült Államokba, ahol a Tengerészeti Akadémián végzett, és ott is kezdett fizikát meg kémiát tanítani. 1878-tól egyre pontosabb fénysebesség-méréseket végez; saját optikai fejlesztéssel elsőként látja meg a színképvonalak hiperfinom szerkezetét. Hosszabb európai körútja során vetődik fel az interferométer ötlete, hogy Maxwell javaslata alapján megmérje a Földnek az éterhez viszonyított sebességét. 1883-ban lett fizikaprofesszor Clevelandben, itt találkozott Morleyval, akivel tökéletesítették a mérés körülményeit. Később más egyetemeken kapott állást. Pontos műszereiért és méréseiért 1907-ben Nobel-díjjal tüntették ki.

Morley vegyész volt, 1869-től professzor Clevelandben. Tapasztalt kísérletező, aki elsősorban a relatív atomsúlyok pontos mérésében és gázelemzésben jeleskedett. Michelson távozása után még egy darabig tovább folytatta a méréseket az éterszél kimutatására.

Az On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether (A Föld és az éter relatív mozgásáról - 1887) a két amerikai tudós egymásra találásának eredménye, beszámoló a fizika egyik legfontosabbnak tartott döntő kísérletéről.

3.5.1 A Föld és az éter relatív mozgásáról

Az éter-koncepció feltehetően Platóntól (i. e. 427-i. e. 347) származik, de a XVII. századtól általános az az elképzelés, hogy a fény terjedése egy mindenütt jelenlévő, különleges – de szerzőnként eltérő – tulajdonságokkal rendelkező közeggel hozható kapcsolatba. Maxwell felismerése nyomán az éter az elektrodinamika szempontjából is fontossá vált. Kísérleti kimutatására az a gondolat adott lehetőséget, hogy a Föld pálya menti sebessége (a fény sebességének tízezred része) esetleg elég nagy ahhoz, hogy különböző irányokban mérve a fénysebességet, különböző értékeket kapjanak – hiszen ha a fény terjedésében az éter játszik szerepet, akkor a Föld mozgásirányában a Föld sebessége levonódik belőle, az ellenkező irányban hozzáadódik. Ehhez azonban a fény sebességét nagyon pontosan kellett mérni – ebben volt Michelson szakértő. Ráadásul az általa kidolgozott eljárás a fény hullámtermészetét kihasználva – a felerősítő illetve kioltó hatás révén – nagyon érzékenynek ígérkezett. (A berendezést később eredményesen használták távolságmérésekre is, sőt Michelson volt az első, akinek interferométerrel sikerült megmérnie egy csillag átmérőjét.) Michelson és Morley úgy alakították ki a berendezést, hogy működését lehetőleg semmi sem zavarja, ezért például – a rezgések kiküszöbölésére – egy higanyban úszó hatalmas betontömbre telepítették. A kísérlet minden gondosság ellenére sem tudta kimutatni a Földnek az éterhez képesti mozgása miatt várt sebességkülönbséget a fény különböző irányokban való terjedésénél.

Az American Journal of Science c. folyóiratban 1887. novemberben megjelenő cikkben a szerzők a probléma történetének áttekintése után elvégzik a szükséges számításokat, majd leírják (és lerajzolják) a használt berendezést. Táblázatos és grafikus formában az olvasó elé tárják a negatív eredményeket. Végül javaslatokat tesznek másfajta csillagászati mérésekre, amelyek esetleg kimutathatnának valamilyen éter-hatásokat.

A Michelson-Morley kísérletet a fizikusok ma döntő kísérletnek tekintik, amelyik választ az éter-elmélet és a speciális relativitáselmélet között. Valójában rögtön a negatív eredmény nyilvánosságra hozatala után a fizikusok még nem gondolták megcáfoltnak az éter létezését. Maguk a szerzők is inkább azt hitték, hogy a Föld magával ragadja a körülötte lévő étert – ezt a földi folyadékáramlások tapasztalatai is mutatták –, ezért a fény sebessége a Földhöz és az éterhez képest is minden irányban ugyanaz. Később mások olyan elméletet is kidolgoztak (Lorentz-Fitzgerald kontrakció), amely szerint az éter ugyan áll a Föld körül, de hatással van a benne mozgó testekre, például pont olyan mértékben nyomja össze őket, amely megmagyarázza a negatív eredményt. A Michelson-Morley kísérlet valójában csak akkor válik – visszatekintve – döntő kísérletté, amikor a relativitáselmélet más okok miatt felülkerekedik riválisain.

A cikket majdnem teljes egészében közöljük, csak a lábjegyzeteket (ezek többnyire más cikkekre való hivatkozások), a megfigyelési eredmények táblázatait (ezek szemléletesebben követhetők az utolsó ábra görbéin) és a cikkhez írt kiegészítést (amely főleg a Naprendszer sebességének mérésére szolgáló javaslatokat tartalmaz) hagytuk el.

3.5.1.1 A Michelson-Morley kísérlet

A fény aberrációjának felfedezését hamarosan követte egy a kibocsátási elmélet[63] szerinti magyarázat. A hatást a fénysebesség és a Föld keringési sebessége egyszerű összetételének tulajdonították. E látszólag kielégítő magyarázat nehézségei felett szemet hunytak, amíg azután egy a fény hullámelméletén alapuló magyarázatot nem javasoltak. Ez a magyarázat eleinte majdnem olyan egyszerű volt, mint az előző. Nem adott azonban számot arra a kísérlet által bizonyított tényre, hogy az aberráció nem változott, amikor a megfigyeléseket egy vízzel feltöltött távcsővel végezték. Ugyanis, ha az aberráció szögének tangense a Föld sebességének aránya a fénysebességhez képest, akkor - mivel az utóbbi sebessége vízben a háromnegyede a vákuumbeli sebességének - a vizes távcsővel megfigyelt aberrációnak az igazi érték négyharmadának kellene lennie.

Fresnel szerint a hullámelméletben először is feltesszük, hogy az éter nyugalomban van, kivéve az átlátszó közegek belsejében, amelyben - ez a második feltevés - a közeg sebességénél n2-1n2 arányban kisebb sebességgel mozog, ahol n a törésmutató. E két feltevés az aberráció tökéletes és kielégítő magyarázatát adja. A második feltevést, dacára a látszólagos valószínűtlenségének, teljesen bizonyítottnak kell tekinteni, először Fizeau híres kísérlete miatt, másodszor pedig mert saját munkánk is elegendően megerősítette. Jelen dolgozatunk tárgyát az első feltevés kísérleti vizsgálata képezi.

Ha a Föld átlátszó lenne, akkor talán el lehetne fogadni - az éppen hivatkozott kísérletek fényében -, hogy a molekulák közötti éter nyugalomban van a térben, dacára a Föld pályamenti mozgásának; de az ezekből a kísérletekből levont következtetéseket nincs jogunk kiterjeszteni átlátszatlan testekre. Nehezen lehetne azonban megkérdőjelezni, hogy az éter át tud és át is megy a fémeken. Lorentz a fém légnyomásmérő cső példáját idézi. Ha a csövet megdöntjük, a higany feletti térben lévő éter bizonyosan kipréselődik, mert összenyomhatatlan. Ismételten azonban: nincs jogunk feltételezni, hogy tökéletesen szabadon szökik meg, ha pedig bármilyen gyenge ellenállás is lenne, bizonyosan nem feltételezhetjük egy olyan átlátszatlan testről, mint az egész Föld, hogy szabad áthaladást biztosít a teljes tömegén keresztül. Ahogy azonban Lorentz találóan megjegyzi: "quoi quil en soit, on fera bien, a mon avis, de ne pas se laisser guider, dans une question aussi importante, par de considérations sur le degré de probabilité ou de simplicité de lune ou de lautre hypothese, mais de saddresser a lexpérience pour apprendre a connaitre létat, de repos ou de mouvement, dans lequel se trouve léther a la surface terrestre."[64]

1981 áprilisában terveztünk és megvalósítottunk egy módszert a kérdés kísérleti ellenőrzésére.[65]

A mérendő mennyiség képletének levezetésében nem vettük figyelembe a Föld éteren keresztüli mozgásának hatását a sugármenetre a mozgásra merőleges szögekben. Ezt a hibát és az egész kísérletet elemzi nagyon gondosan H. A. Lorentz, aki úgy találja, hogy ezt a hatást semmi esetre sem lehet elhanyagolni. Következésképpen a mérendő mennyiség ténylegesen a feltételezett értéknek csupán fele volt, és mivel ez már alig haladta meg a kísérleti hibahatárt, az eredményből levont következtetés erősen megkérdőjelezhető lett; mivel azonban az elmélet fő része továbbra sem vitatott, elhatároztuk, hogy megismételjük a kísérletet olyan módosításokkal, amelyek jóval nagyobb elméleti eredményt biztosítanak annál, hogy a kísérleti hibák elnyomhatnák azt. A módszer elmélete röviden a következő:

Az 1. ábrán (19) legyen sa egy fénysugár, amely részben ab-ben verődik vissza, részben továbbmegy ac-ben, onnan a b és c tükrök miatt visszajönnek ba és ca mentén. A ba részben továbbmegy ad mentén, a ca pedig részben visszaverődik ad mentén. Ha most az ab és ac utak egyenlők, akkor a két sugár interferál ad mentén. Tegyük fel, hogy az éter nyugalomban van, az egész berendezés pedig az sc irányban mozog a Föld pályasebességével, így a fénysugarak irányai és az általuk megtett távolságok változnak: Az ab mentén visszavert sa sugár a 2. ábrán (19) a bab1 szög (mivel egyenlő az aberrációval) =α a ba1 mentén jön vissza, aba1=2α és megy a távcső fókuszába, amelynek iránya nem változott. Az átengedett sugár ca mentén megy és ca1 mentén tér vissza, a1-ben pedig visszaverődik, létrehozva a 90-α-val egyenlő ca1e szöget, ezért még mindig egybeesik az első sugárral. Megjegyezhetjük, hogy a ba1 és ca1 sugarak most nem pontosan ugyanabban az a1 pontban találkoznak, bár a különbség másodrendű, és így nem érinti az érvelés érvényességét. Keressük meg az aba1 és aca1 utak különbségét.

Ekkor T=DV-v,T1=DV+v. Jövet-menet az egész idő T+T1=2DVV2-v2, az ez alatt az idő alatt megtett távolság pedig 2DV2V2-v2=2D(1+v2V2), elhanyagolva a negyedrendű tagokat. A másik útvonal hossza nyilvánvalóan 2D1+v2V2, vagy ugyanolyan pontossággal 2D(1+v22V2). A különbség így Dv2V2. Ha most az egész berendezést elforgatjuk 90-kal, akkor a különbség az ellenkező irányban mutatkozik, így az interferenciacsíkok eltolódásának 2Dv2V2-nek kell lennie. Ha csak a Föld pályasebességét vesszük figyelembe, akkor ez 2D×10-8 lesz. Ha - mint az első kísérlet esetében - D=2×106 sárga fényhullám, akkor az eltolódásnak az interferenciacsíkok közötti távolság 0.04-szeresének kell lennie.

19. ábra. Michelson és Morley 1. és 2. ábrája

Az első kísérletben az egyik fő nehézség a berendezés torzulás nélküli elforgatása volt, a második a rezgéssel szembeni rendkívüli érzékenység. Ez annyira erős volt, hogy a városban lehetetlenné tette az interferenciacsíkok huzamosabb megfigyelését, akár még hajnali kettőkor is. Végül, mint korábban megjegyeztük, a megfigyelendő mennyiség - nevezetesen az interferenciacsíkok közötti távolság huszadrészénél is kisebb eltolódás - túl kicsi lehetett ahhoz, hogy észleljük a kísérleti hibák takarásában.

Az első említett nehézségen teljes mértékben felülkerekedtünk azáltal, hogy a berendezést egy higanyon úszó masszív kőre szereltük fel; a másodikon pedig úgy, hogy ismételt visszaverődésekkel a korábbi értéknek körülbelül a tízszeresére növeltük a fény útját.

A berendezés távlati rajzát a 3. (20), alaprajzát a 4. (21), függőleges metszetét pedig az 5. ábrán (22) mutatjuk be. Az a kő (5. ábra) körülbelül 1.5 méteres négyzet és 0.3 méter vastag. Egy bb gyűrű alakú fatutajon nyugszik, amelynek külső átmérője 1.5 m, belső átmérője 0.7 méter, és 0.25 méter vastag. A tutaj az 1.5 centiméter vastag cc öntöttvas vályúban lévő higanyon úszik, úgy, hogy a tutaj körül maradjon egy körülbelül egy centiméteres hézag. A gggg karok által vezetett d csapszeg illeszkedik egy e foglalatba, amelyik a tutajra van erősítve. A csapszeget be lehet nyomni a foglalatba vagy vissza lehet húzni egy - az f körül forgó - emelővel. Ez a csapszeg tartja koncentrikusan a tutajt a vályúval, de a kő súlyát egyáltalán nem tartja. A gyűrű alakú vas vályú egy cementágyon nyugszik egy alacsony nyolcszögletű, belül üres téglapilléren.

20. ábra. Michelson és Morley 3. ábrája

A kő minden sarkában elhelyeztünk négy d d e e tükröt a 4. ábra szerint. A kő középpontjának közelében volt egy b plánparallel üveg. Ezeket úgy rendeztük el, hogy az a Argand-égőből[66] származó fény keresztülhaladt egy lencsén, ráesett b-re, onnan egy része visszaverődött d1-re; a két keskeny sugárnyaláb az ábrán jelzett utakat követte, bdedbf-et illetve bd1e1d1bf-et, végül megfigyeltük az f távcsővel. Az f és az a a kővel együtt fordult. A tükrök öt centiméter átmérőjű optikailag gondosan kidolgozott sík felületű orvosi fémtükrök voltak, a b és c plánparallel üvegek egyformán 1.25 centiméter vastagságúak, 5.0-szor 7.5 centiméteresek. Ezek közül a másodikat azért tettük az egyik keskeny fénynyaláb útjába, hogy kompenzáljuk a másik áthaladását az ugyanolyan vastag üvegen. A berendezés egész optikai részét egy fa fedővel leborítva tartottuk, hogy megelőzzük a légáramlásokat és a hőmérséklet gyors változásait.

21. ábra. Michelson és Morley 4. ábrája

A beszabályozást a következőképpen csináltuk: A tükröket rugók tartották az öntvényekben és csavarokkal állítottuk be őket, hogy mind a két keskeny nyaláb látható legyen a távcsőben; a két utat egy könnyű farúddal mértük átlósan tükörtől-tükörig, a távolságot egy kis acélvonalzóról olvastuk le tized-milliméteres pontossággal. A két út hosszának különbségét azután az e1 tükör mozgatásával nulláztuk le. Ezt a tükröt három irányban lehetett igazítani: magasságban és azimutálisan, mint az összes többi tükröt, csak finomabban; de ezt a beeső sugár irányában is lehetett szabályozni, előre vagy hátra csúsztatva, miközben nagyon pontosan párhuzamos maradt a korábbi síkjával. E tükör háromféle beállítását úgy lehetett elvégezni, hogy közben a fa fedő a helyén maradt.

22. ábra. Michelson és Morley 5. ábrája

Most, hogy az utak közelítőleg egyenlőek, a gyűjtőlencse elé tett fényforrás vagy valamilyen jól meghatározott tárgy két képét összehoztuk; a távcsövet beállítottuk a várt interferenciasávok pontos megfigyelésére, és amikor az interferenciasávok megjelentek, a fehér fényt nátrium fénnyel helyettesítettük. Ekkor a sávokat az e1 tükör állításával olyan világossá tettük, amennyire csak lehetséges volt, azután visszahelyeztük a fehér fényt, az úthosszat változtató csavart nagyon lassan mozgattuk (az egy hüvelyken száz menetet tartalmazó csavar egy fordulata közel 1000 hullámhosszal változtatta meg az utat), míg a színes interferenciacsíkok meg nem jelentek a fehér fényben. Ezek most megfelelő szélességűek és helyzetűek voltak, és a berendezés készen állt a megfigyeléshez.

A megfigyelést a következőképpen folytattuk le: Az öntöttvas vályú körül tizenhat jel volt egyenlő távolságra egymástól. A berendezést nagyon lassan forgattuk (hat perc alatt egy fordulatot), és néhány perc múltán az egyik jelen való áthaladás pillanatában a mikrométer szálkeresztjét a legvilágosabb interferenciacsíkra állítottuk. A mozgás annyira lassú volt, hogy ezt könnyen és pontosan meg lehetett tenni. Megjegyeztük a mikrométeren a csavarfej állását, és nagyon csekély és fokozatos lökéssel tartottuk fenn a kő mozgását; a második jelzésen való áthaladáskor ugyanezt az eljárást megismételtük, majd folytattuk, amíg a berendezés be nem fejezte a hatodik fordulatot. Úgy találtuk, hogy a berendezés lassú, egyenletes mozgásban tartásával az eredmények sokkal egyformábbak és konzisztensebbek lettek, mint amikor a követ minden megfigyeléshez leállítottuk; ugyanis a feszültségek hatásait legalább fél percig lehetett észlelni a kő nyugalomba jutása után, ez alatt az idő alatt pedig működésbe léptek a hőmérséklet változásából eredő hatások.

...

A megfigyelések eredményeit grafikusan szemléltetjük a 6. ábrán (23). A felső a déli megfigyelések görbéje, az alsó pedig az estieké. A szaggatott görbék az elméleti eltolódás egynyolcadát ábrázolják. Az ábrából helyesnek látszik az a következtetés, hogy ha bármilyen eltolódás van a Föld és az éter relatív mozgásának köszönhetően, az nem lehet sokkal nagyobb, mint a csíkok távolságának 0.01-szerese.

23. ábra. Michelson és Morley 6. ábrája

Ha csak a Föld pályamozgását számítjuk, ennek az eltolódásnak 2Dv2V2=2D×10-8-nek kellene lennie. A D távolság körülbelül tizenegy méter, vagy 2×107 sárga fény hullámhossz volt; a várt eltolódás így 0.4 csík volt. A tényleges eltolódás bizonyosan kisebb volt ennek az értéknek a huszadrészénél, és talán a negyvenedénél is. Minthogy azonban az eltolódás a sebesség négyzetével arányos, a Föld és az éter relatív sebessége valószínűleg kisebb, mint a Föld pályasebességének egyhatoda, és biztosan kisebb a negyedénél.

Az előzőekben csak a Föld pályasebességét vettük figyelembe. Ha ehhez hozzávesszük a Naprendszer mozgását, amellyel kapcsolatban csak keveset tudunk biztosan, az eredményt módosítani kell; és előfordulhat, hogy az eredő sebesség a megfigyelések idejében kicsi volt, bár ennek nagyon csekély az esélye. A kísérletet ezért háromhavonta megismételjük, és így minden bizonytalanságot elkerülünk.

Az összes előzőekben leírtakból meglehetősen bizonyosnak tűnik, hogy ha van is bármilyen relatív mozgás a Föld és az éter között, akkor annak kicsinynek kell lennie; elég kicsinek ahhoz, hogy teljesen megcáfolja Fresnel magyarázatát az aberrációra. Stokes adott egy aberráció-elméletet, amely feltételezi, hogy az éter a Föld felszínén ahhoz képest nyugalomban van, és ehhez még csak azt követeli meg, hogy a relatív sebességnek legyen potenciálja; Lorentz azonban megmutatta, hogy ezek a feltételek összeegyeztethetetlenek. Lorentz ezután egy módosítást javasol, amely kombinálja Stokes és Fresnel bizonyos ötleteit, és feltételezi egy potenciál létezését a Fresnel-együtthatóval együtt. Ha most indokolt lenne a jelen munkából arra következtetni, hogy az éter a Föld felszínéhez képest nyugalomban van, akkor Lorentz szerint nem lehetne sebességpotenciál, és elmélete szintén megbukik.

...

(Forrás: [MM], fordította: Szegedi Péter)



[49] Amelyben a leképezéshez nem szükséges lencse - ez nem véletlen, az arab tudós ugyanis a szem szerkezetében nem fedezi fel a szemlencse szerepét.

[50] Külön érdekesség, hogy ő maga - szembetegsége miatt - kevéssé tudta e távcsöveket csillagászati megfigyelésekre használni, mégis mások - főleg Tycho Brahe (1546-1601) - adatait felhasználva képes volt pontos modellt adni a bolygók pályáira.

[51] Ilyenkor a Nap mellett látszólag megjelennek valamiféle társai is. Mint arra Descartes is végül rájött, a jelenséget a levegőben lebegő jégkristályok okozzák.

[52] Esetükben ez egy szilárd, rugalmas, mozdulatlan közeg, amely áthatol az átlátszatlan testeken, az átlátszóak azonban törésmutatójuk arányában mozgásukban magukkal ragadják

[53] Descartes is így számolta, de előfordult, hogy végtelen sebességről beszélt.

[54] Arról van szó, hogy a fény véges sebessége miatt a távcsővel - akárcsak a puskával egy mozgó tárgyra lőve - kissé "előre kell tartani".

[55] A La Dioptrique-ben.

[56] Van azonban olyan írása is, ahol nem tagadja a vákuum létezését és nem ragaszkodik a végtelen oszthatósághoz.

[57] A színekkel kapcsolatos spekulációi nem túl sikeresek. Ugyanígy az általunk idézett részekben sem a szivárvány színei az érdekesek - arra ugyanis nem ad kielégítő magyarázatot -, hanem maga a szivárvány, mint fénykörív létének oka.

[58] Az 5. értekezésben.

[59] Francia vallási türelmi rendelet.

[60] Rmer nevét Dánián kívül gyakran írják Römer, Roemer vagy Romer alakban is.

[61] Az 1674 és 1793 között érvényes párizsi- vagy új- vagy postamérföldről van szó, amely 3 898 m volt.

[62] A negyed itt azt az állapotot jelenti, amikor a Nap-Föld és a Nap-Jupiter irányok derékszöget zárnak be egymással.

[63] A fény emissziós elméletét Newtonnak szokták tulajdonítani, e szerint a fény sebességét mindig a kibocsátó testhez kell viszonyítani.

[64] ...bárhogyan is legyen a dolog, szerintem ebben a szintén fontos kérdésben jobb ha nem követjük a valamilyen feltevés valószínűségén vagy egyszerűségén alapuló meggondolásokat, hanem a kísérlet felé kell fordulni, hogy megtanuljuk felismerni a nyugalmi vagy a mozgásállapotot, amelyben az éter található a Föld felszínén.

[65] Ezt Michelson még egyedül csinálta.

[66] Egy - a feltalálójáról elnevezett - olajlámpáról van szó.