Képzeljük el egy gramm hidrogén molekuláit annyira megnagyítva, hogy a mikroszkóppal már láthatók volnának, tehát a Brown-féle részecskék nagyságában. Ha ebben a nagyságban szorosan egymás mellé raknánk őket, akkora ládára volna szükség, amelynek minden éle mintegy fél kilométer lenne.

A hidrogénmolekula tömegét is könnyen kiszámíthatjuk, ha az egy grammot az előbb fölírt számmal elosztjuk. Ez meg egy fantasztikusan kicsi számot ad:

0,000 000 000 000 000 000 000 0033 g

A Brown-féle mozgás kísérletei csupán egy részét teszik annak az egymástól független sok kísérletnek, amelyek ennek a fizika számára oly fontos számnak a meghatározására vezetnek.

Az anyag kinetikai elméletében s ennek minden fontos vívmányában a következő általános filozófiai program megvalósulását látjuk: minden jelenség magyarázatát visszavezetni az anyag részecskéi között működő erők kölcsönhatására.

A mechanikában valamely mozgó test jövőbeli pályája csakúgy, mint a múltbeli, meghatározható, ha ismeretes a jelen mozgásállapot és a ráható erők. Így például az összes bolygók jövőbeli pályái előre kiszámíthatók. A hatóerő a Newton-féle tömegvonzás, amely csupán a távolságtól függ. A klasszikus mechanika nagy eredményei jogosulttá teszik azt a föltevést, hogy a mechanikai nézőpont a fizika minden ágára következetesen alkalmazható: tehát hogy az összes jelenség megmagyarázható olyan vonzó- és taszítóerőkkel, amelyek csak a változatlan részecskék kölcsönös távolságától függnek.

Az anyag kinetikus elméletében láthatjuk, hogyan fogja át a hőtüneményeket ez a mechanikai problémákból kifejlődött szempont, és hogyan vezet az anyag szerkezetképének sikeres megalkotásához.

II. A MECHANIKAI NÉZŐPONT HANYATLÁSA

A kétféle elektromos folyadék • A mágneses folyadékok Az első komoly nehézség • A fénysebesség • A fény mint anyag A szín rejtélye • Mi az a hullám? • A fény hullámelmélete Longitudinális vagy transzverzális hullámok?

A következő sorok néhány igen egyszerű kísérlet szokványos leírását tartalmazzák. Ez nemcsak azért lesz unalmas, mert a kísérletek leírása tényleges végrehajtásukkal összehasonlítva nem érdekes, hanem azért is, mivel a kísérletek jelentősége csak azután lesz világos, amikor majd az elmélet a magyarázatukat megadja. Az a célunk, hogy ezzel is szembeszökő példát nyújtsunk az elméletnek a fizika tudományában játszott szerepéről.

1. Egy fémrúd üveglábon áll, és mindkét végén fémdrót köti össze egy-egy elektroszkóppal (23. ábra). (Mi az az elektroszkóp? Igen egyszerű készülék: lényegében két vékony aranyfüst lemezkéből áll, amelyek kis fémpálca végéről szabadon lógnak le. Az egész egy üvegedénybe van zárva, úgyhogy a fémrész csak nem fémes anyagokkal, az úgynevezett szigetelőkkel érintkezik.) Legyen még a fémrúdon és az elektroszkópon kívül egy ebonit pálcánk és egy darab gyapjúszövetünk.

Ügyeljünk, hogy az elektroszkóp aranyfüst lemezkéi szorosan egymás mellett függjenek, mert ez a normális helyzetük. Ha véletlenül nem így volnának, akkor ujjunkkal érintve a fémpálcikát, a lemezkék összeesnek. Dörzsöljük meg az ebonit pálcát a gyapjúszövettel, és érintsük meg vele a fémrudat: a lemezkék egyszerre szétnyílnak (24. ábra). És szétnyílva maradnak akkor is, ha az ebonitpálcát eltávolítjuk! (A 24. ábrán az elektroszkópok üvegedényét nem rajzoltuk meg; az elméleti fejtegetésekhez ugyanis nincs rájuk szükség, csupán a fémpálcikán lógó két kis lemezre. - A ford.)

2. Végezzünk most egy másik kísérletet készülékünkkel, s megint csak úgy kezdjük, hogy az elektroszkóp aranyfüst lemezkéi függő helyzetben legyenek egymás mellett. Most ne érintsük a megdörzsölt ebonit pálcát a fémrúdhoz, csupán közelítsük. Megint szétnyílnak a lemezkék, de most ha eltávolítjuk az ebonit pálcát, a lemezkék összeesnek eredeti helyzetükbe, ahelyett, hogy szétnyílva maradnának.

3. Módosítsuk most egy kicsit eszközünket egy harmadik kísérlet céljából. A fémrúd most két összeerősíthető darabból álljon. Dörzsöljük meg az ebonit pálcát, és közelítsük a fémrúdhoz. Az előbbi eset ismétlődik meg: a lemezkék szétnyílnak. Erre válasszuk szét a fémrúd két darabját, és csak ezután távolítsuk el a megdörzsölt pálcát. Észrevesszük, hogy a lemezkék most nem esnek össze, mint a második kísérletnél (25. ábra). Nehéz lelkesedésre gyulladni ez iránt az egyszerű és naiv kísérlet iránt. A középkorban bizonyára elítélték volna a végrehajtóját, nekünk pedig együgyünek és illogikusnak látszik. A leírás egyszeri elolvasása után bizonyára nehéznek tűnik a megismétlése, anélkül, hogy össze ne zavarnánk. Majd az elmélet némi ismerete érthetővé teszi. Többet mondok: nagyon is lehetséges, hogy az ilyen kísérleteket a puszta véletlen játékainak tartjuk, ha előzetesen nem rendelkezünk több-kevesebb ismerettel az értelmükről.

Most a kísérleteknek alapul szolgáló eszmék egyszerű és naiv elméletét fogjuk leírni, amely az összes jelenséget megmagyarázza.

Kétféle elektromos folyadék van, amelyek közül az egyiket pozitívnak (+), másikat negatívnak (—) mondjuk. Természetüknek megfelelően a már említett értelemben vett szubsztanciák ezek, amennyiben tömegük növelhető vagy csökkenthető, de minden elszigetelt rendszerben mégis állandóan megmaradnak. Azonban lényeges a különbség a hő, az anyag vagy az energia esetével szemben. Nekünk két elektromos létezőnk van. Itt nem alkalmazhatjuk a pénzhez való hasonlatosságot még akkor sem, ha azt bármi módon általánosítanánk. Valamely test elektromosan akkor semleges, ha benne a pozitív és a negatív folyadékok egymást kölcsönösen kiegyenlítik. Lehet, hogy egy embernek semmi vagyona nincs vagy olyan alapon, mert tényleg semmivel nem rendelkezik, vagy azért, mivel a pénzszekrényében tartogatott tőkéje pontosan kiegyenlíti adósságainak értékét. A főkönyvek tartozik és követel rovatait hasonlíthatjuk össze az elektromos folyadékok kétféle fajával.

Az elmélet következő föltevése az, hogy az ugyanolyan természetű elektromos folyadékok egymást kölcsönösen taszítják, míg az ellentétes természetűek vonzzák. Ez rajzban a következő módon szemléltethető (26. ábra).

Még egy utolsó elméleti feltevés szükséges: a testeknek két faját különböztetjük meg, olyanokat, amelyekben a folyadékok szabadon mozoghatnak, vagyis az úgynevezett vezetőket, és olyanokat, amelyekben nem mozoghatnak, az úgynevezett szigetelőket. Hogy az egyes esetekben ez miképpen érvényesül, arra nézve e felosztást nem kell túlságosan szigorúan venni. Ideális vezető vagy ideális szigetelő csak a képzeletben van, amelyet a valóság sohasem ér el. A fémek, a föld, az emberi test példák a jobb és a kevésbé jó vezetőkre; míg az üveg, a gumi, a porcelán és hasonló anyagok szigetelők. A levegő csak részben szigetel, amint azt mindenki tudja, aki az említett kísérleteket látta már. Mindig jó mentség az elektrosztatikus kísérletek sikertelenségénél a levegő nedvességére hivatkozni, amely a vezetőképességet növeli. Ezek az elméleti feltevések elegendők a leírt három kísérlet megmagyarázására. Még egyszer vizsgálat alá vesszük őket ugyanabban a sorrendben, mint az előbb, de most az elektromos folyadékok elméletének világánál.

1. Az ebonit pálca - mint minden egyéb test - normális körülmények közt elektromosan közömbös. Mindkét elektromos folyadékot tartalmazza, a pozitívot és a negatívot egyenlő mennyiségben. A gyapjúval történő dörzsöléskor azonban szétválasztjuk őket. Ez a megállapítás tisztára megegyezésszerű, minthogy csupán annak a kifejezésmódnak alkalmazása, amelyet az elmélet a dörzsölés leírására alkotott meg. Az elektromosság jellege, melyet a pálca most már fölös mennyiségben tartalmaz: negatív, ami szintén csak egy név, és teljesen megegyezés dolga. Ha a kísérleteket macskaprémmel dörzsölt üvegrúddal végeztük volna, akkor a felgyülemlett elektromosságot pozitívnak kellene mondanunk, hogy az elfogadott magyarázattal összhangban maradhassunk. Hogyha az elektromos folyadékot az ebonit rúd hozzáérintésével fémvezetőre visszük át, amelyen szabadon mozoghat, akkor végigterjed az egész fémfelületen, beleértve az aranyfüst lemezkéket is. Mivel a negatív elektromosságnak a negatívra való hatása taszító, a két lemezke annyira akar egymástól eltávolodni, amennyire csak lehet, és az eredmény éppen a megfigyelt szétágazás lesz. A fémrúd üveglábon vagy valami más szigetelőn áll, ezért az elektromos folyadék mindaddig, míg a levegő engedi, a vezetőn marad. Most már értjük, miért kellett megérintenünk a fémrudat a kísérlet kezdete előtt. Ez esetben a fém, az emberi test és a föld nagy vezetőt képeznek, amelyen az elektromos folyadék olyan ritkává lesz, hogy gyakorlatilag az elektroszkópon semmi sem marad vissza.

2. Ennek a kísérletnek a leírása ugyanolyan módon kezdődött, mint az előző esetben. A tényleges érintkezés helyett azonban az ebonit rudat csak a fémrúd közelébe hoztuk. Mivel a kétféle elektromos folyadék a vezetőn szabadon mozoghat, szétválnak, és az egyik vonzást, a másik meg eltaszítást szenved. Midőn az ebonit pálcát eltávolítjuk, a folyadékok újból összekeverednek, mert az ellentétes elektromosságok egymást vonzzák.

3. Most a fémrudat két részre bontjuk, majd utána távolítjuk el a pálcát. Ebben az esetben a két folyadék nem keveredhet össze, úgyhogy az aranylemezkék az egyik elektromos folyadékot fölösen tartalmazzák, s így szétnyílva maradnak.

Ennek az egyszerű elméletnek fényénél tehát az összes itt említett eset érthetővé válik. Ugyanez az elmélet azonban még többet is eredményez, mivel módot nyújt arra, hogy nemcsak ezeknek, hanem az elektrosztatika (nyugvó elektromosság) területéről választott sok más jelenségnek is magyarázatát adjuk. Minden elméletnek az a célja, hogy újabb jelenségekre hívja fel figyelmünket, és újabb kísérleteket sugalmazzon, amelyek új jelenségek és törvényszerűségek fölfedezésére vezetnek. Mindezt egy példával világítjuk meg.

Képzeljük el a második kísérletnek egy változatát. Tegyük fel, hogy az ebonit pálcát a fémrúd közelében tartom, és ugyanakkor a vezető másik végét az ujjammal megérintem (27. ábra). Mi történik most? Az elmélet ezt mondja: az eltaszított negatív folyadék most testemen át eltávozhat, következésképp csakis egy folyadék, a pozitív marad vissza. Csupán az ebonit pálcához közelebb eső elektroszkóp lemezkéi maradnak szétnyílva. A kísérlet véghezvitele igazolni is fogja e jövendölésünket.

Elméletünk a modem fizika szemében kétségtelenül egyoldalúnak és tarthatatlannak látszik, mindamellett jó példa arra, hogy bemutassuk minden fizikai elmélet fejlődési jellemvonásait. A tudományban egy elmélet sem örök. Előfordul ugyanis, hogy az elmélet által megjövendölt jelenségeket a kísérlet meghazudtolja. Minden elméletnek hosszú és fáradságos fejlődési útja van a siker felé, majd ezután rendszerint gyors hanyatlása következik be. A hőnek már említett anyagelmélete föllendülésével és hanyatlásával egyike az idevágó számos példának. Sok más, mélyebb és fontosabb jelentőségű elméletet majd csak később teszünk vizsgálat tárgyává. Majdnem minden haladás a tudomány terén régi elméletek válságából indul ki, és oly irányú fáradozás révén keletkezik, hogy a szorongató nehézségekből valami kivezető utat találjunk. Így aztán régi elméleteket is meg kell vizsgálnunk, noha már a múltéi, de ez az egyetlen út az új elméletek fontosságának és érvényességének megértéséhez.

Könyvünk első lapjain a természetkutató szerepét a detektívével hasonlítottuk össze, aki a szükséges adatok összegyűjtése után a helyes megoldást tisztán gondolati levezetéssel találja meg. Ez a hasonlat egy nagyon lényeges pontnál felületesnek bizonyult. Ugyanis az életben csakúgy, mint a detektívregényekben, a bűntett adva van. A detektívnek levelek, ujjlenyomatok, revolvergolyók vagy fegyverek után kell ugyan kutatnia, de legalább annyit tud, hogy gyilkosság történt. Ez nem áll a tudósra. Könnyen elképzelhetünk olyan embert, aki egyáltalán semmit nem tud az elektromosságról; a régi emberek valamennyien elég boldogan éltek, anélkül hogy bármit is tudtak volna róla. Adjuk oda egy ilyen embernek a fémrudat, az aranyfüst lemezkéket, az üvegedényt, az ebonit pálcát, a szövetdarabot, röviden mindazt, amire három kísérletünknél szükség volt, lehetne nagyon művelt ember, mégis valószínűleg bort öntene az edénybe, a ruhadarabot tisztításra használná, és sohasem jönne arra a gondolatra, hogy az általunk leírt jelenségeket vizsgálgassa. A detektív számára a bűntény adott dolog. A kérdés így hangzik: ki ölte meg Cock Robint? A tudós - legalább részben - még a bűntényt is kénytelen elkövetni, majd a nyomozást végrehajtani. Sőt még tovább: feladata nem csupán egy adatnak, hanem minden olyan eseménynek feltárásában áll, ami csak megtörtént, vagy amelyek még megtörténhetnek.

A folyadékok gondolatának alkalmazásában a mechanisztikus nézetek befolyását látjuk, amelyek mindent bizonyos szubsztanciákkal és a köztük működő erőkkel akarnak megmagyarázni. Annak eldöntésére, hogy a mechanikai nézőpont az elektromos jelenségek leírásánál is alkalmazható-e, nézzük a következő példát.

Van két kis golyó, és legyen mindegyikük elektromos töltéssel ellátva, azaz mindegyikük valamelyik elektromos folyadékból bizonyos fölösleggel rendelkezik. Tudjuk, hogy a gömbök egymást kölcsönösen vonzzák vagy taszítják. Az erő csak a távolságtól függ, és ha igen, hogyan? A legegyszerűbb feltevésnek az látszik, hogy ez az erő is úgy függ a távolságtól, mint a tömegvonzási erő, azaz a kilencedére csökken eredeti értékének, ha a távolságot háromszorosára növeljük. Coulomb kísérletei megmutatták, hogy e törvény valóban igaz. Newton tömegvonzási törvényének felfedezése után száz évvel Coulomb tehát hasonló kapcsolatot talált az elektromos erők és a távolság közt. A két fő különbség Newton és Coulomb törvénye közt a következő: a tömegvonzás mindig fennáll, míg az elektromos erők csak akkor hatnak, ha a testeknek töltésük van. A tömegvonzásnál csakis vonzóerő van, az elektromos töltések esetében viszont az erők lehetnek vonzók is meg taszítók is.

Ugyanaz a kérdés is felmerülhet, amit a hőelmélettel kapcsolatban már vizsgáltunk: az elektromos folyadékok súlytalan szubsztanciák-e vagy nem? Más szóval: egy fémdarab súlya ugyanaz-e, ha elektromosan közömbös, vagy ha töltése van? Mérlegünk semmi különbséget nem mutat ki. Azt következtetjük, hogy az elektromos folyadékok is a súlytalan létezők családjához tartoznak.

Az elektromosság elméletének megértése még két új fogalom bevezetését követeli. Megint csak el akarjuk kerülni a szigorú tudományos meghatározásokat, s helyettük inkább olyan hasonlatokat alkalmazunk, amelyek már ismert fogalmakat szerepeltetnek. Emlékezzünk csak vissza, milyen fontos volt a hőjelenségek megértéséhez az, hogy különbséget tegyünk hőmennyiség és hőmérséklet között. Itt hasonlóképpen fontos, hogy megkülönböztessük az elektromos potenciált az elektromos töltéstől. E két dolog között levő különbséget a következő egybevetéssel világíthatjuk meg:

Két vezetőnek, például két különböző nagyságú golyónak lehet ugyanakorra elektromos töltése (vagyis az elektromos folyadékból ugyanakkora fölösleggel rendelkezhetnek), a kisebbnek a potenciálja magasabb, a nagyobb golyóé alacsonyabb. Az elektromos folyadéknak ugyanis a kisebbik golyón nagyobb a sűrűsége, és így jobban össze van szorítva. Mivel a taszítóerőnek a sűrűséggel növekednie kell, azért az elektromosság elszökési hajlama is nagyobb lesz a kisebb golyó esetében, mint a nagyobbiknál. A töltésnek ez a hajlama, hogy a vezetőről megszökjék, közvetlen mértéke a potenciálnak. A töltés és potenciál között levő különbség megvilágítására felírunk itt néhány mondatot, amelyek a fölmelegedett test viselkedését mutatják be, s velük párhuzamba állítjuk az elektromos vezetőre vonatkozó megfelelő mondatokat.

Hő

Két test, melynek eredetileg különböző a hőmérséklete, bizonyos idő múltán közös hőmérsékletű lesz, ha egymással érintkezésbejut.

Egyenlő hőmennyiségek két testen különböző hőmérsékletet okoznak, ha a két test hőkapacitása egymástól különbözik.

Egy testtel érintkező hőmérő megmutatja — higanyszálának hosszúságával - a saját hőmérsékletét, és ezáltal az érintett test hőfokát is.

Elektromosság

Elszigetelt vezetőknek, melyek eredetileg különböző potenciálúak voltak, igen gyorsan közös lesz a potenciáljuk, ha egymással érintkezésbe jutnak.

Egyenlő elektromos töltések két testen különböző elektromos potenciált eredményeznek, ha a testek elektromos kapacitásai különbözőek.

Egy vezetővel összekapcsolt elektroszkóp megmutatja - lemezkéinek nyílástávolságával - saját potenciálját, és ezzel együtt a vezető potenciálját is.

Ezt a hasonlatosságot azonban nem kell túlzásba vinni. Egy példa mindjárt megmutatja a különbségeket is meg a hasonlóságot is. Ha egy forró test érintkezésbe jut egy hideggel, akkor a hő átfolyik a melegebbről a hidegebbre. De gondoljunk el két elszigetelt vezetőt egyenlő nagyságú, de ellenkező előjelű töltéssel; ezek különböző potenciálúak, minthogy megállapodás szerint a negatív töltésnek megfelelő potenciál alacsonyabb a pozitívénál. Ha most a két testet összeérintjük, vagy dróttal összekötjük, az elektromos folyadékok elméletéből következik, hogy az érintkezés után semmi töltésük sem lesz, tehát potenciálkülönbségük sem. A folyadékok bizonyos ,,átáramlását” kell föltételeznünk az egyik vezetőről a másikra a potenciálkiegyenlítés rövid ideje alatt. De hogyan? A pozitív töltés folyik-e át a negatív töltésű testre vagy a negatív a pozitív töltésű testre?

Az eddig elmondottak alapján nincs semmi okunk arra, hogy a két lehetőség közül valamelyiket inkább válasszuk. Mindegyik esetet feltételezhetjük, sőt még azt is, hogy mind a két irányban egyszerre lesz áramlás. Ez mindeddig csupán megegyezés dolga, és nem tulajdoníthatunk egyik választásnak sem jelentőséget, minthogy nem ismerünk semmiféle olyan eljárást, amivel a kérdést kísérlettel eldönthetjük. Csak az elektromosságnak egy mélyebb elméletére vezető későbbi fejlődés adott e kérdésre választ, ennek azonban az elektromos folyadék ilyen egyszerű és kezdetleges elméletében nincs semmi értelme. Itt a következő kifejezésmódot használjuk: az elektromos folyadék a magasabb potenciálú vezetőről folyik az alacsonyabb felé, tehát a mi esetünkben az elektromosság a pozitív vezetőről áramlik a negatívra (28. ábra). A kifejezésmód csak megállapodás dolga, és a

jelen esetben teljesen önkényes. Ez teszi érthetővé, hogy a hő és az elektromosság közt a hasonlatosság nem tökéletes. Láttuk, miképpen lehetséges az elektrosztatika elemi jelenségeinek leírása, ha a mechanikai nézőponthoz ragaszkodunk. Ugyanez lehetséges a mágneses jelenségek esetében is.

Most is ugyanúgy járunk el, mint eddig, vagyis hogy egyszerű tényekkel kezdjük a tárgyalást, és csak utána térünk át elméleti magyarázatuk kutatására.

1. Legyen két hosszú mágnespálcánk, az egyik a középpontjában felfüggesztve szabadon mozog, a másikat kezünkben tartjuk. A mágnesek csúcsai közelítsék meg egymást úgy, hogy erős vonzást tapasztaljunk köztük (29. ábra). Ezt mindig elérhetjük. Ha mégsem volna vonzás, akkor a pálcát megfordítjuk, és a másik végét használjuk. Valami mindig történni fog, ha a pálcák egyáltalán mágnesesek. A mágnes végét pólusnak nevezzük. A kísérlet további folyamán a felfüggesztett mágnes mentén mozgatva a pólust, a vonzóerő csökkenését fogjuk tapasztalni, sőt amikor a pólus a pálca közepéhez érkezik, a vonzás minden jele megszűnik. Ha a pólus még továbbhalad ugyanabban az irányban, taszítást állapíthatunk meg, ami a legnagyobb erejét a függő pálca másik végénél éri el.

2. Az elmondott kísérlet továbbvezet egy másikra. Minden mágnesnek két pólusa van. El lehet-e egyiket a másiktól szigetelni? A gondolat könnyűnek látszik: a pálcát egyszerűen kettétörjük. Láttuk, hogy az egyik pólus és a másik pálca középpontja közt semmiféle erő nem hat. De ha valóban eltörjük a pálcát, az eredmény meglepő és előre nem sejtett lesz. Ha az első kísérletet a fél mágnespálcával megismételjük, az eredmény teljesen azonos lesz az előzővel. Ahol előbb a mágneses erőnek semmi nyoma nem volt (ti. a középen), most erős pólus keletkezett.

Hogyan lehet mindezt megmagyarázni? Megpróbálhatjuk a mágnesség elméletét az elektromos folyadékok mintájára fölépíteni. Ez már csak azért is kézenfekvő, mivel itt is, mint az elektromos folyadékoknál, vonzást és taszítást találunk. Képzeljünk el két gömb alakú vezetőt egyenlő nagy elektromos töltéssel ellátva, de az egyik pozitív legyen, a másik negatív. Az „egyenlő” itt ugyanakkor abszolút értéket jelent, vagyis előjel nélküli értéket. +5 és —5 például ugyanakkora abszolút értékkel bírnak. Tegyük fel továbbá, hogy e két golyót valamely szigetelő, mondjuk, üvegpálca köti össze. Rajzban ezt az elrendezést úgy tüntethetjük föl, hogy egy nyíl mutat a negatív töltésű gömbtől a pozitív felé. Az egészet elektromos dipólnak mondjuk (29/a ábra).

Világos, hogy két ilyen dipól pontosan úgy fog viselkedni, mint a mágnespálcák az első kísérletnél. Tekintsük találmányunkat úgy, mint egy valóságos mágnes modelljét, s akkor - ha a mágneses folyadékok létezését is föltételezzük - kimondhatjuk, hogy egy mágnespálca nem más, mint mágneses dipól, melynek a két végén különböző mágneses folyadék van. Ez az elektromosságéról lemásolt egyszerű elmélet elegendő az első kísérlet megmagyarázására. Vonzás van az egyik végen, taszítás a másikon, és az ellentétes irányban ható erők egyensúlya a középen. Hogyan áll azonban a dolog a második kísérlettel? Ha eltörjük az üvegpálcát az elektromos dipólnál, akkor két elszigetelt pólusunk lesz. Ha ugyanezt gondolnánk a mágneses dipólról is, az ellentétben állna a második kísérlet eredményével. Ez az ellentmondás egy csiszoltabb elmélet fölállítására kényszerít bennünket. Előbbi modellünk helyett úgy gondolhatjuk, hogy a mágnespálca apró, elemi mágneses dipólokból áll, amelyeket nem lehet külön pólusokra törni. A mágnespálcán végig rend uralkodik, amennyiben minden elemi dipól egy irányba mutat. Tüstént látjuk, hogy miért teremtett a pálca eltörése új pólusokat a végeken, és miért magyarázza meg ez a csiszoltabb elmélet mind az első, mind a második kísérletet (30. ábra).

Sok tüneményre már az egyszerűbb elmélet is magyarázatot ad, és tökéletesítésre nincs szükség. Nézzünk egy példát. Tudjuk, hogy a mágnes vasdarabkákat vonz. Miért? A közönséges vasdarabban mind a két mágneses folyadék összekeverve van, úgyhogy kifelé semmiféle hatás nem észlelhető. Ha pozitív pólust közelítünk hozzá, ez mintegy „oszolj'’ vezényszót kiált a folyadékoknak, miközben a vas negatív folyadékát vonzza, míg a pozitívot cltaszítja. Ez aztán vonzást eredményez a vas és a mágnes között. Ha a mágnest eltávolítjuk, akkor a folyadékok többé-kevésbé visszatérnek eredeti állapotukba, aszerint, hogy milyen erősen hallják még a külső erő parancsszavát.

Helyénvaló, hogy néhány szót szóljunk a kérdés mennyiségi oldaláról is. Két igen hosszú mágnespálcával megvizsgálhatnánk pólusaik vonzását vagy taszítását, ha kölcsönösen közelítjük őket. A pálcák másik végének hatása elhanyagolható, ha hosszúságuk elég nagy. Hogyan függ mármost a vonzás vagy a taszítás a pólusok távolságától? Coulomb kísérletének válasza azt mondja, hogy a távolsággal való kapcsolat ugyanaz, mint a tömegvonzásé a Newton-féle törvényben vagy az elektrosztatikai erőké a Coulomb-törvényben.

Ennél az elméletnél megint egy általános szempont alkalmazását látjuk: azt a törekvést, hogy minden jelenséget csak a távolságtól függő és változatlan részecskék közt ható erőkkel írjunk le.

Egy jól ismert tényt kell még megemlíteni, mert később majd fölhasználjuk. A Föld maga is egy hatalmas mágneses dipól. Arról azonban a leghalványabb sejtelmünk sincs, hogy miért van ez így. Nagyjából az Északi-sark a negatív, a Déli-sark meg a pozitív mágneses pólusa a Földnek. A pozitív és negatív elnevezés csak megegyezés dolga, de ha egyszer megállapodtunk benne, akkor kezünkbe adja minden más esetben a pólusok megnevezését. A függőleges tengelyre helyezett mágnestű követi a Föld mágneses erejének parancsát. Pozitív előjelű pólusát az Északi-sark felé, vagyis a Föld negatív mágneses sarkának irányába fordítja.

Noha az itt fölsorolt elektromos és mágneses jelenségek birodalmában a mechanikai nézőpontot következetesen tudtuk alkalmazni, még sincs semmi okunk rá, hogy nagyon büszkék és elégedettek legyünk vele. Az elmélet néhány vonása kétségtelenül nem kielégítő, sőt elcsüggesztő. Az ősanyagok új fajtáit kellett kitalálnunk: két elektromos folyadékot meg az elemi mágneses dipólt. Az ősanyagok birodalma kezd igen népes lenni!

Az erők ugyan egyszerűek: a tömegvonzás tüneményeit csakúgy leírhatjuk velük, mint az elektromosságét és a mágnességét, de az ár, amit ezért az egyszerűségért fizetni kell, igen nagy: ismét új, súlytalan ősanyagok bevezetése. Ezek bizony elég mesterkélt fogalmak, és méghozzá semmi kapcsolatban sincsenek az alapvető anyagisággal, a tömeggel.

Most már annyira jutottunk, hogy elméleti álláspontunk alkalmazásának első nagy nehézségére rámutassunk. Majd később bebizonyítjuk, hogy ez a nehézség még más, komolyabbal karöltve oda vezetett, hogy csődöt mondott az a felfogás, miszerint minden jelenség megmagyarázható a mechanikai nézőpont alapján.

Az elektromosságnak mint tudományágnak, nemkülönben a technikának hatalmas fejlődése az elektromos áram fölfedezésével kezdődik. Itt a tudománytörténetnek egyik olyan ritka esetével találkozunk, ahol a jelek szerint a véletlen lényeges szerepet játszott. A békacombok rángatózásának történetét különféleképpen mesélik. Tekintet nélkül e részletkérdések elfogadhatóságára, semmi kétség nem fér hozzá, hogy Galvani véletlen fölfedezése Voltat a XVIII. század végén az úgynevezett Volta-telep összeállítására vezette. Noha ennek ma már semmi gyakorlati jelentősége nincs, mégis példát ad a legegyszerűbb áramforrások egyikére.

Összeállítási elve a következő. Néhány üvegpohárban kénsavas víz van. Mindegyik pohárba két fémlap nyúlik bele, az egyik rézből (Cu), a másik cinkből (Zn) van. Az elsőnek cinklapját összekötjük a következő pohár rézlapjával és így tovább, úgyhogy végül csak az elsőnek a rézlapja meg az utolsónak a cinklapja áll szabadon (31. ábra). Ha a „batériát” alkotó poharak, vagyis az „elemek” száma elég nagy, akkor elég érzékeny elektroszkóppal kimutathatjuk a potenciálkülönbséget az elsőnek a rézsarka és az utolsónak a cinksarka közt.

Csupán a könnyebb mérés kedvéért alkalmaztunk több elemből álló batériát, hogy az eddig ismertetett durva eszközeinket használhassuk. A további okoskodáshoz éppen olyan jól megfelel egyetlen elem is. A réz potenciálja „magasabb”, mint a cinké. A „magasabb” itt olyan értelemben szerepel, ahogyan +2 nagyobb, mint a —2. Ha egy fémvezetőt a rézlappal kötünk össze, egy másikat meg a cinkkel, akkor mind a ketten töltést kapnak, mégpedig az első pozitívat, a második meg negatívat. Eddig még semmi újat vagy különöst nem tapasztaltunk, és alkalmazhatjuk régebbi nézeteinket a potenciálkülönbségekre. Láttuk, két vezető közt a potenciálkülönbség gyorsan kiegyenlítődik, ha a vezetőket dróttal összekötjük: az elektromos folyadék az egyik vezetőről a másikra áramlik. Ez a folyamat hasonlít a hőmérséklet-különbségnek hőáramlás útján történő kiegyenlítődéséhez. Alkalmazhatjuk-e ezt a gondolatot a Volta-féle telep esetére is? Volta azt írja beszámolójában, hogy a fémlapok úgy viselkednek, mint olyan vezetők,

„... melyek gyengén feltöltve állandóan hatnak olyan módon, hogy töltésük minden kisülés után magától ismét helyreáll, egyszóval az, ami e vég nélküli töltést szolgáltatja, vagy valamely állandó hatást, vagy az elektromos folyadéknak állandó termelését tételezi föl.”

E kísérlet bámulatos eredménye az, hogy a réz- és cinklap közt a potenciálkülönbség nem szűnik meg, amint az a dróttal összekötött két elektromos gömbnél történt. A potenciálkülönbség állandóan megmarad, és a folyadékelméletnek megfelelően az elektromos folyadék állandó áramlását köteles létrehozni a magasabb nívójú helyről (rézlap) az alacsonyabb felé (cinklap). Ha a folyadékelmélet megmentésére kísérletet akarunk tenni, föltételezhetjük, hogy valamely állandó erő hat a potenciálkülönbség helyreállítására, és ez okozza az elektromos folyadék áramlását. Azonban az egész dolog bámulatos az energia szempontjából. Az áramot vezető drótban ugyanis tekintélyes mennyiségű meleg jön létre, még arra is elegendő, hogy a drótot megolvassza, ha elég vékony. Tehát a drótban hőenergia keletkezik. Az egész Volta-telep azonban egy elszigetelt rendszer, s így külső energiát nem kap. Ha tehát az energia megmaradásának törvényét meg akarjuk menteni, ki kell találni, hol történik az energia átalakulása, és minek az árán keletkezik a hő. Könnyű belátni, hogy a telepben bonyolult kémiai folyamatok játszódnak le, olyan folyamatok, melyekben mind a réz és cink, mind pedig maga a folyadék tevékenyen részt vesz. Az energia szempontjából a lezajlódott átalakulások sora a következő: kémiai energia, az áramló elektromosság energiája (vagyis az áram), a hő. A Volta-telep nem örök életű. A kémiai változások, amelyek az elektromosság áramlásával kapcsolatosak, bizonyos idő múltán a telepet használhatatlanná teszik.

Annak a kísérletnek a leírása, amely a mechanikai eszmék alkalmazásának nagy nehézségeit valóban leleplezte, első hallásra idegennek tetszik. A kísérletet körülbelül százhúsz évvel ezelőtt hajtotta végre Oersted. Ezeket írja:

„... Ezzel a kísérlettel igazoltnak látszik, hogy a mágnestű a galvánáram segítségével eredeti helyzetéből kimozdul, mégpedig akkor, ha az áramot zártuk, nem pedig akkor, mikor nyitva van, ahogyan ezt egynémely híres fizikus néhány évvel ezelőtt hiába erősítette.”

Tegyük fel, hogy van egy Volta-telepünk és egy darab vezető drótunk. Ha a drót csak a rézlaphoz van kötve, de nincs egyúttal a cinkhez is, létrejön ugyan a potenciálkülönbség, de áramlás nem lesz. Képzeljük még, hogy a drót kör alakú, és a középpontjában egy mágnestű helyezkedik el; hogy a drótmenet meg a mágnestű iránya ugyanabban a síkban vannak. Míg a drót vége a cinklapot nem érinti, nem történik semmi, nem működik semmi hatóerő, és a fennálló potenciálkülönbségnek nincs semmi hatása a mágnestűre. Nehéz megérteni, miért vártak „híres fizikusok” ilyen hatást, mint Oersted nevezte őket.

De kössük csak össze a drótot a cinklappal, mindjárt valami különös dolog történik: a mágnestű elfordul eredeti helyzetéből (32. ábra). Ha e könyv lapja a drótkör síkját jelenti, akkor a mágnestű egyik pólusa az olvasó felé mutat.

A mágneses pólusra ható erő hatása merőleges a körlap síkjára. Ha a kísérlet tényeit figyelemmel kísérjük, elkerülhetetlenül le kell vonnunk ezt a következtetést a hatóerő irányára. Ez a kísérlet elsősorban azért érdekes, mert kapcsolatot fedez fel olyan két jelenség közt, amelyek egymástól látszólag teljesen távol állók: a mágnesség és az elektromos áram közt. Van itt azonban egy még fontosabb szempont. Az az erő, mely a mágneses pólus meg az árammal átfolyt drótdarabkák között hat, nem helyezhető többé a drót és a tű, illetve az elektromos áram részecskéje és az elemi mágneses dipól összekötő vonalának irányába. Az erő merőlegesen áll ezekre a vonalakra. Első alkalommal bukkan föl olyan erő, mely más, mint azok, amelyekre - mechanikai nézőpontunk alapján - a külső világ minden hatását visszavezetni igyekeztünk. Emlékezzünk csak rá, hogy a tömegvonzás, az elektromosság meg a mágnesség erői, amelyek Newton és Coulomb törvényeinek engedelmeskednek, mindig a vonzó vagy taszító testeket összekötő vonal irányában fejtik ki hatásukat. Ezt a nehézséget még jobban kiélezte az a kísérlet, melyet mintegy hatvan évvel ezelőtt nagy ügyességgel Rowland hajtott végre. Anélkül, hogy a technikai részletekbe mélyednénk, a kísérletet körülbelül így írhatjuk le: Képzeljünk el egy kis elektromozott golyót, és gondoljuk továbbá, hogy nagyon gyorsan kering egy kör peremén, amelynek középpontjában van a mágnestű (33.ábra).

Ez alapjában véve ugyanaz a kísérlet, mint Oerstedé, csak a valóságos áram helyett mechanikai mozgást végző elektromos töltés szerepel. Rowland azt találta, hogy a hatás valóban megközelíti a kör alakú drótban folyó elektromos áramét: a mágnestűt egy a mozgás síkjára merőleges erő téríti ki. Ha a töltést gyorsabban mozgatjuk, a mágnesre gyakorolt hatás növekszik: az eredeti helyzetből való kitérés fokozódik. Ez a megfigyelés ismét újabb komoly zavart jelent. Nemcsak hogy nem hat az erő a töltés és a mágnes összekötő vonala mentén, hanem nagysága még a keringő töltés sebességétől is függ! Az egész mechanikai fölfogás azon a hiten épült föl, hogy az összes tünemény olyan erőkkel magyarázható, melyek csupán a távolságtól függnek, nem pedig a sebességtől, és íme, most a Rowland-féle kísérlet eredménye megingatja ezt a hitet. Mégis rászánhatjuk magunkat, hogy konzervatívok legyünk, és a régi nézetek keretén belül keressünk valami megoldást.

Ilyen természetű nehézségek, hirtelen és nem várt akadályok valamely elmélet diadalmas útján gyakran előfordulnak a tudományban. Sokszor úgy látszik, hogy a régi nézetek általánosítása legalább átmenetileg jó megoldást nyújt. Most is például megfelelőnek látszanék a régebbi szempontot kibővíteni és az elemi részecskék közt ható általánosabb erőket föltételezni. Sokszor azonban nem sikerül a régi elméletet kifoltozni, és a nehézségek teljes összeomlást okoznak, majd egészen új elmélet fölállítását követelik. A jelen esetben nemcsak a mágnestű viselkedése volt az ok, amely a látszólag jól megalapozott és sikeres mechanikai elméleteket romba döntötte. Egy másik, még hevesebb támadás is jött egészen eltérő irányból; ez azonban már más lapra tartozik, és majd később fogunk beszélni róla.

Galilei Beszélgetések két új tudományról című könyvében a mester és tanítványai ilyenféleképp társalognak a fény sebességéről:

Sagredo: De hát minő természetűnek és milyen nagynak kell gondolnunk a fény sebességét? Pillanatnyinak, azaz időtlennek, avagy időre van szüksége, mint egyéb mozgásoknak? Nem dönthetjük el ezt a kérdést valamely kísérlettel?

Simplicio: Naponta mutatja a tapasztalat, hogy a fény terjedése pillanatnyi, mert ha nagyon messziről fegyvert látunk elsülni, a villanás időveszteség nélkül jut szemünkhöz, míg a dörrenés csak jelentős idő múlva ér a fülhöz.

Sagredo: Igen ám, Simplicio, de én ebből csak azt a következtetést tudom levonni, hogy a hang fülünkhöz közeledve lassabban halad, mint a fény, de arra nézve semmit sem mond, hogy a fény megérkezése pillanatnyi-e, vagy bár igen gyors, mégis időre van szüksége...

Salviati: Ezeknek és más hasonló megfigyeléseknek kevéssé perdöntő volta egyszer arra indított, hogy kitaláljak valami módszert, amivel pontosan el lehet dönteni, hogy a felvillanás, vagyis a fény terjedése valóban pillanatnyi-e ...

Salviati tovább folytatja, hogy kísérleti módszerét elmagyarázza. Gondolatának megértése végett képzeljük el, hogy a fény sebessége nemcsak véges, hanem egyenesen kicsi, és hogy mozgása lecsökkenthető, akárcsak a lassított filmek szereplőié. Két embernek, A-nak és B-nek letakart lámpája van, és legyenek egymástól például 1 km távolságban. Az első ember, A fölnyitja a lámpáját. Közös megállapodásuk, hogy B is fölfedi lámpáját abban a pillanatban, mihelyt A-nak a fényjelét meglátja. Tegyük föl, hogy a mi lassított mozgásunkkal a fény másodpercenként 1 km-t halad. A jelt ad lámpája fölnyitásával, B ezt meglátja egy másodperc múlva, és válaszjelet küld. Ezt A a saját jeladása után két másodperccel fogja észrevenni. Vagyis ha a fény másodpercenként 1 km sebességgel halad, akkor két másodperc telik el Ajelindítása és a válaszjel felfogása közt, föltéve, hogy B tőle 1 km távolságban van. Megfordítva: hogyha A nem ismeri a fény sebességét, de felteszi, hogy társa állja a megegyezést, és B lámpájának felnyitását ő a saját jeladása után két másodperccel veszi észre, ebből azt következtetheti, hogy a fény másodpercenként 1 km-t tesz meg. Abban az időben véghezvihető kísérleti technikával Galileinek kevés kilátása volt rá, hogy a fény sebességét ilyen módon meghatározhassa. Ha a távolság 1 km lett volna, akkor az időköz nagyságát a másodperc százezred részében kellett volna mérnie.

Galilei a fénysebesség meghatározásának kérdését helyesen vetette föl, de nem oldotta meg. Valamely probléma megszövegezése azonban gyakran fontosabb, mint a megoldás, ami csupán matematikai vagy kísérletezési ügyesség kérdése lehet. Új kérdéseket felvetni, új lehetőségeket megpillantani, régi problémákat valamely új oldalról meglátni - ez alkotó képzeletet kíván, és valóban haladást jelent a tudományban. A tehetetlenség elve, az energia megmaradásának törvénye csakis a már jól ismert kísérletekre és jelenségekre épített új és eredeti gondolatok révén váltak fölfedezhetővé. Sok ilyen természetű példával találkozunk még e könyv további lapjain, ahol kiemeljük annak fontosságát, hogy ismert tényeket új megvilágításban lássunk, és újabb elméletek leírását fogjuk majd adni.

A fénysebesség meghatározásának aránylag egyszerű kérdésére visszatérve megjegyezhetjük, milyen meglepő, hogy Galilei nem jött rá kísérletének egy jóval egyszerűbb és pontosabb végrehajtási módjára azáltal, hogy egyetlen embert szerepeltetett volna. Az 1 km távolságban álló társ helyett egy tükröt kellett volna alkalmaznia, amely a jelet vétele után tüstént magától visszaküldte volna.

Körülbelül 240 évvel később ezt a nagyon egyszerű elvet Fizeau használta fel, aki elsőnek határozta meg a fény sebességét a Földön végrehajtott kísérletek útján. Már jóval előtte, de kevésbé pontosan Roemer is meghatározta - csillagászati megfigyelések alapján. Magától értetődő, hogy a fénysebesség igen nagy volta miatt a mérését csak igen nagy távolságokon lehet végrehajtani, aminők például a Föld és a Naprendszer más bolygói közt szerepelnek, vagy pedig nagyon fejlett kísérletező technika segítségével. Az első volt Roemer módszere, a második Fizeau-é. Az első kísérletek idejétől kezdve aztán a fénysebesség roppant fontos számértékét sokszor és egyre nagyobb pontossággal állapították meg. Századunkban egy határtalanul kifinomult módszert Michelson eszelt ki erre a célra. A kísérlet eredményéről röviden kifejezve azt mondhatjuk: a fény sebességének értéke légüres térben nagyon megközelítően 300 000 km másodpercenként.

Megint néhány kísérleti adattal kezdjük. A fény sebességének a légüres térre vonatkozó számértékét az imént adtuk meg. A fénysebességnek ez az értéke - mint mondtuk - a légüres térre vonatkozik, vagyis a fény zavartalanul megy ezzel a sebességgel az üres téren át. Például keresztül tudunk látni a kiszivattyúzott üvegedényen, látjuk a bolygókat, a csillagokat és ködöket, noha fényük hozzánk az üres téren át érkezik. Az az egyszerű tény, hogy az üvegedényen keresztüllátunk, akár van benne levegő, akár nincs, azt mutatja, hogy a levegő jelenléte nem játszik szerepet. Ezen az alapon a fénytani kísérleteket egy közönséges teremben ugyanolyan jól végezhetnénk akkor is, ha nem volna benne levegő.

Az egyik legegyszerűbb fényjelenség az, hogy a fénysugár útja egyenes. Leírunk egy egyszerű kísérletet, amely ezt igazolja. Valamely pontszerű fényforrás előtt ernyő áll, rajta egy lyukkal. A pontszerű fényforrás igen kis fényforrás, például vékony nyílás egy letakart lámpa oldalán. Az ernyőn vágott lyuk képe úgy jelenik meg a szemben levő falon, mint fényes folt, sötét háttérrel körülvéve. A 34. ábra mutatja, hogyan függ össze e jelenség a fény egyenes vonalú terjedésével. Minden ilyen jelenség - még a legbonyolultabb is amelyben fény, árnyék és félárnyék szerepel, megmagyarázható azzal a föltevéssel, hogy a fény a légüres térben vagy a levegőben mindig egyenes vonalban terjed.

Vegyünk egy másik példát, amelyben a fény valamely anyagon hatol át. Legyen például S olyan fénysugár, amely előbb légüres térben halad, majd egy üveglapra esik. Mi történik ekkor? Ha az egyenes vonalú terjedés továbbra is fennállna, a fény útját a pontozott vonal jelölné (34/a ábra). A valóságban azonban nem így van. A sugár útjában törés áll be, amint ezt a rajz is mutatja. A most megfigyelt jelenség neve fénytörés vagy refrakció. A félig vízbe dugott pálca jól ismert tüneménye, amely a középen törést mutat, egyike a refrakció sokféle megnyilatkozásának.

Ennyi tény elég lesz ahhoz, hogy megmutassuk a fény egyszerű mechanikai elméletének kialakítását. Törekvésünk ezután annak kimutatására irányul, miként hatolt be az optika területére is az anyag (a részecske) és az erők fogalma, s végül hogyan mondott csődöt a régi filozófiai szemlélet.

Az elmélet itt a maga legegyszerűbb alakjában áll előttünk. Tegyük fel, hogy az összes világító testek fényrészecskéket vagy fénykorpuszkulákat bocsátanak ki, amelyek szemünkbe hatolva fényérzeteket keltenek. Már annyira megszoktuk bizonyos új anyagi fogalmak bevezetését, ha erre a mechanikai magyarázat érdekében szükség van, hogy minden vonakodás nélkül most is megtesszük. Ezek a korpuszkulák az üres téren át, az ismert sebességgel, egyenes vonalak mentén repülnek, és szemünkbe hírt hoznak a fényt kibocsátó testekről. Mindazok a jelenségek, amelyek a fény egyenes vonalú terjedéséről tanúskodnak, a korpuszkulaelmélettel magyarázhatók, mivel a mozgásnak éppen ez a módja a legegyszerűbb a részecskék számára. Azonkívül az elmélet igen egyszerű módon magyarázza a fénynek a tükrökről való visszaverődését mint a reflexiónak egyik fajtáját. A mechanikában valamely falra vetett rugalmas golyónak a visszapattanásakor is ez figyelhető meg, mint azt a 35. ábra feltünteti.

A fénytörés magyarázata már kissé nehezebb, de azért a részletekbe való elmélyedés nélkül is szemügyre vehetjük a mechanikai magyarázat lehetőségét. Ha például egy fényrészecske az üveg felszínére esik, akkor az üveg részecskéitől származó erő hatást gyakorolhat rá, ez pedig olyan erő, amely - különleges módon - csak az anyag közvetlen szomszédságában hat. De mint már láttuk, a testre ható minden erő megváltoztatja annak mozgását. Ha most már a részecskére ható erő nem más, mint az üveg felszínére merőleges irányú vonzás, akkor az új mozgás iránya valahol közbeesik az eredeti mozgásirány és a rá merőleges vonal közé. Ez az egyszerű magyarázat, úgy tűnik, sikerrel kecsegteti a fény korpuszkuláris elméletét, mégis az elmélet érvényességének hatósugarára és alkalmazási területének megállapítására újabb és bonyolultabb tényeket is szemügyre kell vennünk.

Ismét Newton zseniális sejtése volt az, mely a világon először magyarázta meg a színek csodálatos gazdagságát. Álljon itt kísérleteinek leírása, saját szavaival:

„1666-ban (mikor olyan üvegek csiszolásával foglalkoztam, amelyek nemcsak gömb alakúak) készítettem egy három élű üvegprizmát, hogy vele a színek híres jelenségét kipróbáljam. Miután szobámat e célra besötétítettem, és az ablaktáblán kis lyukat vágtam, hogy rajta megfelelő fénynyaláb bejuthasson, a prizmát a fénysugár útjába helyeztem úgy, hogy az a szemben levő falon megtört. Ez nagyon kellemes foglalatosság volt arra, hogy ennek segítségével a létrehozott élénk és fokozott hatással jelentkező színeket megfigyelhessem."

A Nap fénye „fehér”. Miután áthalad a prizmán, föltárja a látható világban létező összes színt. A természet ugyanezt az eredményt éri el a szivárvány színlegyezőjén. E jelenség magyarázatára irányuló törekvések igen régiek. A bibliai történet, amely szerint a szivárvány Istennel kötött szerződés záloga, már egy bizonyos fokig „elmélet”, csakhogy nem magyarázza meg kielégítő módon, miért jelent meg a szivárvány időről időre, és miért jár mindig együtt az esővel. A színek rejtélyének megfejtéséhez tudományosan első ízben Newton fogott hozzá már említett nagyméretű vizsgálódásában.

A szivárvány egyik széle mindig vörös, a másik ibolya, és közöttük helyezkedik el az összes többi szín. A jelenség Newton-féle magyarázata a következő: az összes szín megvan már a fehér fényben; együtt haladnak a bolygók között levő űrben, valamint az atmoszférán keresztül, és a fehér szín benyomását keltik. A fehér fény mintegy keveréke a különböző fajtájú fényrészecskéknek, amelyek más-más színhez tartoznak, s Newton kísérletében a prizma révén térbelileg szétváltak. A mechanikai elméletnek megfelelően refrakció olyan erők hatására keletkezik, melyek a fénykorpuszkulákra hatnak, és eredetük az üveg részecskéiben gyökerezik. Ezek az erők különbözők a más-más színhez tartozó részecskék szerint, mégpedig legerősebben hatnak az ibolyára, és leggyöngébben a vörösre. Ennek folytán minden szín más-más útra tér, és elválik a többi színtől, mihelyt a fény a prizmából kilép. A szivárványban az esőcseppecskék játsszák a prizma szerepét.

A fényanyagelmélet immár bonyolultabb, mint valaha. Most már nemcsak egy fényanyagunk van, hanem végtelen sokféle, s mindegyik egy-egy színnek felel meg. De ha mégis megfelel az elmélet a valóságnak, akkor következményeinek összhangban kell lenniük a megfigyelésekkel.

A Nap fehér fényének színsorozatát, amint azt a Newton-féle kísérlet bemutatja, a Nap színképének vagy pontosabban: látható színképének mondjuk. A fehér fénynek elemeire való bontását pedig, amint azt most itt leírtuk, a fény szóródásának vagy diszperziójának. Ha a vázolt színmagyarázatban van némi igazság, akkor a színkép szétválasztott színeit keresztülbocsátva egy második, alkalmasan fölállított prizmán, összevegyülésüket várhatjuk. Ez a folyamat ugyanis pontosan megfordítottja lenne az előbbinek, és az előbb szétválasztott színekből újra fehér fényt kellent kapnunk. Newton megmutatta, hogy ez valóban lehetséges. Ily egyszerű módon tehát színképet a fehér fényből és fehér fényt a színképből annyiszor nyerhetünk, ahányszor csak tetszik. E kísérletek erős támaszt adtak az elméletnek, mely szerint a különféle színekhez tartozó korpuszkulák úgy viselkednek, mint afféle változatlan anyagrészecskék. Newton írja:

"...ezek a színek nem újonnan keletkeztek, hanem csak az elkülönítés által váltak láthatóvá, mert ha azok megint tökéletesen keverednek, újból a szétválasztás előtti színt adják. Ugyanez az alapja annak, hogy a különböző színek keverése által létrejött átalakulások sem valóságosak; mert ha az összevegyített sugarakat ismét szétválasztjuk, ugyanazokat a színeket fogjuk látni, mint összevegyítésük előtt; pontosan úgy, mint ha kék és sárga port finoman összekeverünk, a szem számára zöldnek tetszik, habár az egyes részecskék nem alakultak át, csupáncsak keveredtek. Ezért ha jó mikroszkóppal vizsgáljuk meg őket, változatlanul kéknek és sárgának fogjuk látni, keveredve is.”

Tegyük föl, Hogy a színkép egy nagyon vékony sávját a többitől elszigeteltük. Ez azt jelenti, hogy a sokféle szín közül csak egynek engedtük meg, hogy a nyíláson áthatoljon, míg a többit az ernyővel visszatartottuk. Az áthatolt fénysugár egynemű (homogén) fényből áll, vagyis olyanból, melyet semmiféle további alkotórészekre nem bonthatunk. Ez következik is az elméletből, és kísérlettel is könnyen igazolható. Semmiképp nem lehet ilyen egyetlen színből álló fénysugarat újból széthasítani. A homogén fény gyakorlati előállításának egyszerű módja van. Például az izzó nátrium homogén sárga színt bocsát ki. Gyakran kényelmesebb dolog fénytani kísérleteket homogén fénnyel végezni, mivel az eredmény - érthetően - kevésbé bonyolult.

Képzeljük el, hogy hirtelen valami csodálatos dolog történik: a Nap egyszerre csak elkezdene bizonyos színű homogén fényt, például sárgát kibocsátani. A színek gazdagsága abban a pillanatban eltűnnék a Földről, és az összes tárgyak vagy sárgának, vagy feketének látszanának.

Ez a fény anyagelméletéből következik, minthogy semmiféle újabb szín nem keletkezhetnék. Ennek az igazát kísérlettel is alátámaszthatjuk: olyan szobában, amelynek egyetlen fényforrása izzó nátrium, vagy minden sárgának látszik, vagy feketének. Világunk színgazdagsága tükrözi a színek sokféleségét, amelyekből a fehér fény összetevődik.

A fény korpuszkulaelmélete az említett esetekben nagyszerűen bevált, noha a színek sokasága szerint ugyanannyiféle részecskét kell föltételeznünk, ami egy kissé kényelmetlen. Az a föltevés is elég mesterkéltnek látszik, hogy az összes részecskék az üres térben pontosan ugyanakkora sebességgel haladnak.

Elképzelhetnénk, hogy a föltevések egész más sora, vagyis teljesen más természetű elmélet éppen így megfelelne, és az összes kívánt magyarázatot megadná. Valóban, hamarosan egy másik elmélet keletkezésének leszünk tanúi. Ez egészen eltérő felfogáson nyugszik, és mégis megmagyarázza a fényjelenségeknek ugyanazt a csoportját. Mielőtt azonban az új elméletnek tételes alapjait megfogalmaznánk, egy másik kérdésre kell megfelelnünk. Vissza kell térnünk a mechanikához, és fel kell tennünk azt a kérdést:

Egy hír, amely Washingtonban fölüti a fejét, csakhamar eljut New Yorkba is, ha mindjárt a hírt terjesztő emberek közül egy sem utazik az egyik városból a másikba. Itt két különféle mozgásról van szó. Az egyik a híré, városról városra, a másik az embereké, akik a hírt terjesztik.

A gabonaföldön átsüvítő szél hullámot kelt, amely az egész táblára kiterjed. Itt megint különbséget kell tennünk a hullám mozgása és az egyes növényszálaké közt, amelyek csak kis lengéseket végeznek. Mindannyian láttunk már egyre nagyobb körökben gyűrűző hullámokat, amikor követ dobtunk a vízbe. A hullám mozgása megint igen különbözik az egyes vízrészecskék mozgásától. A részecskék csupán le- és fölfelé mozognak. A hullám mozgása az anyag egy bizonyos állapotának a mozgása, és nem magáé az anyagé. Világosan mutatja ezt a hullámon úszó parafa, amely csak fel és alá libeg - követve a víz valóságos mozgását ahelyett, hogy a hullám magával ragadná.

A hullám működésének alaposabb megértésére figyeljünk meg egy ideális kísérletet. Tegyük föl, hogy egy nagy tér (szoba) színig egyenletesen meg van töltve vízzel vagy levegővel, vagy másféle „közeggel”. Valahol a közepén helyezkedjék el egy gömb. A kísérlet kezdetén nincs semmiféle mozgás. Most hirtelenül kezdjen el a golyó ritmikusan „lélegzeni”, vagyis gömb alakjának megtartásával tágulni és összehúzódni. Mi megy végbe a közegben? Kezdjük figyelni abban a pillanatban, midőn a gömb tágulásba fog. A gömb közvetlen közelében levő részecskék kifelé szorulnak, úgyhogy a gömb körüli vékony vízrétegnek vagy levegőnek, vagy az éppen jelenlevő anyagnak sűrűsége a rendes érték fölé emelkedik. Hasonlóképp a gömb összehúzódásakor a körülvevő réteg sűrűsége csökken. Ezek a sűrűségváltozások átterjednek az egész anyagra. A közeg részecskéi csupán kis rezgéseket végeznek, de az egész mozgás valamely tovaterjedő hullámzásé. A dologban lényegesen új az, hogy első ízben vizsgálunk olyan mozgást, amelyet nem maga az anyag végez, hanem az anyagon átvonuló energiaállapot.

A lüktető golyó példáját felhasználva, két általános fizikai fogalmat vezethetünk be, melyek a hullámok jellemzésére lényegesek. Az egyik a hullám terjedési sebessége. Ez a közegtől függ, így például a vízben más, mint a levegőben. A másikfogalom a hullámhosszúságé. Az óceán vagy egy folyó hullámai számára ez két szomszédos hullámhegynek vagy hullámvölgynek a távolsága. Az óceán hullámainak tehát nagyobb a hosszúságuk, mint a folyóéinak. A példánkban a lüktető gömb keltette hullámok hosszúságát megadja egy bizonyos időben választott távolság olyan két szomszédos réteg között, melynek legnagyobb vagy legkisebb a sűrűsége. Nyilvánvaló, hogy ez a távolság nem függ csupán a közegtől. A gömb lüktetésének szaporasága nagy befolyással van a hullám hosszúságára, minthogy rövidebb lesz a hullám, ha a lüktetés szaporább, viszont hosszabb lesz, ha a lüktetés lassúbbá válik.

A hullám fogalma a fizikában nagyon határosnak bizonyult. Látjuk, hogy határozottan mechanikai fogalom, minthogy az egész tünemény olyan kis részecskék mozgására vezethető vissza, melyek a kinetikus elmélet szerint az anyag legvégső építőkövei. Ily módon minden olyan elmélet, mely a hullám fogalmát használja, általában mechanikai elméletnek tekinthető. Így például a hangjelenségek magyarázata lényegileg erre épült fel. Rezgő testek, mint a hangszálak vagy a hegedű húrjai: hanghullámok forrásai, s e hullámok úgy terjednek a levegőben, mint a lüktető golyó esetében bemutattuk. Ennek alapján a hullámfogalommal az összes hangjelenségeket vissza lehet vezetni a mechanikára.

Már hangsúlyoztuk, hogy a részecskék mozgását meg kell különböztetni a hullámétól, amely csak egy bizonyos állapota az anyagnak.

Mind a két mozgás nagyon különböző, de a lüktető golyó példáján is látni, hogy ugyanabban az irányban történnek. A közeg részecskéi a gömbsugarak irányába cső rövid vonaldarabokon rezegnek, és a sűrűség ezzel a mozgással összefüggően nő vagy csökken. Az irány tehát, amelyben a hullám tovaterjed, és azok a vonalak, amelyeken a részecskék rezgése lejátszódik, egybeesnek. Az ilyen hullámfajtát longitudinálisnak (hosszmentinek) nevezzük (36. ábra).

De csak ez az egyetlen lehetséges hullámfajta van-e? További elemzéseink számára fontos, hogy a hullámoknak egy másik alakjával is megismerkedjünk: a transzverzális (keresztrezgésű) hullámmal.

Módosítsuk előbbi példánkat. Legyen továbbra is az említett golyó, de most levegő vagy víz helyett más közegbe merüljön, például valamilyen kocsonyába. Azonkívül a golyó most már nem lüktet, hanem egy bizonyos tengely körül kis szögben ide-oda billeg. A kocsonya a golyóhoz tapad, s így a közeli részecskék kénytelenek a mozgást átvenni. E részek magukkal rántják a messzebb fekvőket is, és így tovább, úgyhogy a közegben megint hullámzás keletkezik. Ha emlékezetünkbe idézzük azt a különbséget, amely a közeg mozgása és a hullámmozgás között van, akkor észrevesszük, hogy e mozgások most nem esnek egy irányba. A hullám megint a gömbsugarak irányában terjed, míg a közeg részecskéi erre merőlegesen mozognak. Ezúttal transzverzális hullámot keltettünk (37. ábra).

A víz felszínén terjedő hullámok transzverzálisak. A tetején úszó parafa csak le- és fölfelé mozog, a hullám ellenben a vízszintes síkban terjed tova. A hanghullámok viszont a longitudinális hullámokra adnak jó példát.

Még egy megjegyzés: a billegő vagy a lüktető gömb által a közegben keltett hullámzás gömbhullám. Azért nevezzük így, mivel bármely pillanatban az összes ugyanilyen mozgásállapotú pontok a kezdőpont körül rajzolt gömbfelületen helyezkednek cl. Figyeljük meg az ilyen gömbfelületnek egy részét nagy távolságban a kiindulási ponttól. Minél távolabb van e rész a középponttól, és minél kisebb, annál jobban hasonlít egy síkdarabhoz (38. ábra).

Ha nem akarunk túlságosan pontosak lenni, mondhatjuk, hogy semmi lényeges különbség nincs egy darabka síklap és egy gömbfelszín részecskéje közt, ha a gömb sugara elég nagy. Sokszor úgy beszélünk valamely gömbhullámnak a kiindulóponttól igen távoli részéről, mint síkhullámról. Minél távolabb van a gömb középpontjától a 38. ábrán bevonalkázott rész, és minél kisebb a két sugár hajlásszöge, annál jobban közelíti meg a síkhullámot. A síkhullám - mint sok más fizikai fogalom - csupán képzelt dolog, amelyet csak megközelítő pontossággal tudunk meghatározni. Mégis hasznos fogalom, és később is fogjuk alkalmazni.

Gondoljunk csak vissza, mi miatt kellett a fényjelenségek leírását megszakítanunk. A korpuszkuláris elmélet helyett egy másikat akartunk bevezetni, amely a jelenségeknek ugyanazt a csoportját szintén meg tudná magyarázni. Ezért kellett abbahagyni leírásunkat és bevezetni a hullám fogalmát. Most újból visszatérhetünk tárgyunkhoz.

Huygens, Newton kortársa volt az, aki egészen új elmélettel állt elő. A fényről írt értekezésében ezeket mondja:

„Ha továbbá a fénynek terjedése közben iáőre van szüksége, amit éppen most fogunk megvizsgálni, ebből az következik, hogy ez a közvetítőanyagra rákényszerített mozgás lépésről lépésre haladó. És ennek alapján úgy terjed, mint a hang: gömbhullámokban és felületekben - ezért hullámnak nevezem ezt is, ama hasonlatosság miatt, amely megfigyelhető, midőn követ dobunk a vízbe - és amelyek egymást követő körgyűrűket alkotnak, noha ennek oka egészen más, és csupán sík felületen történik.”

Huygens szerint a fény hullámmozgás, tehát energiának és nem anyagnak a továbbszállítása. Láttuk azonban, hogy a korpuszkuláris elmélet sok megfigyelt jelenséget megmagyarázott. Meg tudja-e ezt tenni a hullámelmélet is? Vessük föl újból azokat a kérdéseket, amelyekre a korpuszkuláris elmélet megfelelt: vajon ugyanolyan jó feleletet ad rájuk a hullámelmélet is? Képzeljük el, hogy két egyén: N és H párbeszédet kezd, melyben N a newtoni korpuszkuláris elmélet híve, míg H a Huygens-féle hullámelméletet képviseli. Egyiküknek sem szabad olyan érvekkel élnie, melyek a két nagy tudós művének befejezése után keletkeztek.

N: A korpuszkuláris elméletben a fény sebességének igen határozott jelentése van: az a sebesség, mellyel a részecskék az üres téren át repülnek. Mit jelent ez a hullámelméletben?

H: Természetesen a fényhullám sebességét jelenti. Mindenki tudja, hogy a hullámok bizonyos meghatározott sebességgel terjednek, és ez a fényhullámra is érvényes.

N: Ez nem olyan egyszerű, mint amilyennek látszik. A hanghullámok a levegőben terjednek, az óceán hullámai a vízben. Mindegyik hullámnak bizonyos anyagi közegre van szüksége, melyben terjed. A fény ellenben áthatol az űrön, míg a hang nem. Hullámot az üres térben feltételezni annyit jelentene, mint egyáltalában semmiféle hullámot nem tételezni fel.

H: Ez valóban nehézség, de egyáltalán nem új számomra. Tanítóm pontosan átgondolta, és arra a meggyőződésre jutott, hogy az egyetlen megoldást egy képzelt anyagnak, az éternek - vagyis az egész világmindenséget átható közegnek - a feltételezése jelenti. A világmindenség mintegy az éterbe van bemerítve. Ha volt bátorságunk egyszer ezt a fogalmat bevezetni, minden egyéb világos és meggyőző lesz.

N: Én azonban tiltakozom e feltevés ellen. Először is egy új, képzelt anyagot vezet be, pedig már éppen elég van belőlük a fizikában. De még más is ellene szól. Kétségtelenül hiszed te is, hogy mindent a mechanika kifejezéseivel kell magyaráznunk. Hogyan áll azonban a dolog az éterrel? Vajon tudsz-e arra az egyszerű kérdésre felelni, hogyan van az éter elemi részeiből felépítve, és miképp nyilatkozik meg más jelenségekben?

H: Első ellenvetésed valóban jogos. Azonban ennek a kissé keresett és mesterkélt anyagnak, az éternek segítségével egy csapásra megszabadulunk a még mesterkéltebb fénytestecskéktől. Nekünk most csak egy „rejtélyes” anyagunk van végtelen sok helyett, melyek a spektrum különböző színeinek felelnének meg. Nem hiszed, hogy ez valóban haladást jelent? Így legalább minden nehézséget egyetlen pontra sűrítettünk. Nincs többé szükségünk arra az erőltetett feltevésre, hogy a különböző színekhez tartozó részecskék ugyanazzal a sebességgel terjednek az üres téren át. Második érved szintén találó. Az étert nem tudjuk mechanikailag megmagyarázni. Azonban semmi kétség afelől, hogy optikai vagy talán más jelenségek jövendő tanulmányozása felfedi az éter szerkezetét is. Bár e pillanatban új kísérletekre és megállapításokra kell várnunk, mégis azt gondolom, hogy sikerül majd az éter mechanikai szerkezetének kérdését tisztázni.

N: Egyelőre tegyük félre a kérdést, minthogy jelenleg úgysem dönthető el. De nagyon szeretném látni, hogy elméleted - még ha szemet hunyunk is a nehézségek felett - hogyan magyarázza meg azokat a jelenségeket, amelyek a korpuszkuláris elmélet fényében oly világosak és érthetőek. Vedd például azt a tényt, hogy a fény az űrben is, levegőben is egyenes irányban terjed. A gyertya elé tartott papírdarab határozott és éles körvonalú árnyékot vet a falra. Az éles árnyékok nem volnának lehetségesek, ha a fény hullámelmélete helyes volna, mert a hullámok a papír szélei körül elhajlanak, és így az árnyékot elmoshatják. Egy kis hajó, amint tudod, a tenger hullámai számára nem jelent akadályt; egyszerűen megkerülik, anélkül, hogy árnyék alakulna ki.

H: Ez nem meggyőző bizonyíték. Vedd például a folyó rövid hullámait, melyek egy nagy hajó oldalához verődnek. A hajó egyik oldalán vert hullámok a másik oldalon láthatatlanok. Ha a hullámhossz elég kicsi, és a hajó viszont elég nagy, akkor határozott árnyék keletkezik. Valószínűen azért látszik, hogy a fény csak egyenes vonalban terjed, mivel hullámhossza nagyon kicsi a közönséges akadályok és a kísérletekben használt készülékek méreteihez képest. Lehet, hogy semmiféle árnyék sem keletkeznék, ha elég kicsiny akadályokat állíthatnánk elő. Bizonyára nagy gyakorlati nehézségekbe ütköznék olyan készülékek előállítása, amelyek megmutatnák, hogy a fény az akadályokat megkerülheti. Mindazáltal ha ilyen kísérletet ki lehetne találni, ez döntő lehetne a korpuszkuláris és a hullámelmélet közötti választásunkra.

N: Bár a hullámelmélet a jövőben új tényekhez vezethet, ma mégsem ismerek olyan kísérleti adatokat, melyek meggyőzően bizonyítják. Míg a kísérlet véglegesen nem igazolja azt, hogy a fény elhajolhat, nem találok semmi okot a korpuszkuláris elmélet feladására, amely nekem egyszerűbbnek és jobbnak látszik a hullámelméletnél.

Itt a párbeszédet félbeszakíthatjuk, jóllehet a tárgy még egyáltalán nincs kimerítve.

Még azt a kérdést kell tisztáznunk, hogyan magyarázza a hullámelmélet a színek különbözőségét és a fénytörést. Amint láttuk, a korpuszkuláris elmélet ezekre a jelenségekre magyarázatot nyújt. A fénytöréssel kezdjük, de hasznos lesz, ha előbb megvizsgálunk egy példát, mely kívül esik a fénytan körén.

Tartson két ember egy szilárd rudat a kezében, és így haladjanak egy nagy, nyílt téren át. Kezdetben a közöttük levő rúdra merőleges irányban mennek. Míg sebességük ugyanaz, a rúd a sebesség nagyságától függetlenül, önmagával párhuzamosan fog eltolódni, azaz mozgási iránya nem változik. A rúdnak minden egymást követő

helyzete az előbbivel párhuzamos. De képzeljük el, hogy egy rövid időre a két ember különböző sebességgel mozog. Mi fog történni? Nyilván a rúd ez alatt az idő alatt elfordul, úgyhogy mozgása most már eredeti helyzetével nem párhuzamos. Ha a két ember ismét ugyanazt a sebességet veszi fel, az előbbitől eltérő irányban fognak mozogni. Ezt tünteti fel 39. ábránk. Az irányváltozás az alatt az időköz alatt történt, míg a két ember sebessége különböző volt.

Ez a példa útmutatást nyújt a hullám törésének megértéséhez. Essék az éteren áthaladó síkhullám egy üveglapra. A 40. ábránkon olyan hullám látható, melynek haladása közben aránylag nagy a frontja. A hullámfront olyan sík, amelyen megadott időben az éternek minden része ugyanúgy viselkedik. Mivel a sebesség a közegtől függ, a sebesség az üvegben más lesz, mint az üres térben. Az alatt a rendkívül rövid idő alatt, míg a hullámfront az üvegbe hatol, frontjának egyes részei különböző sebességűek lesznek. Az a rész, amely az üveget elérte, azzal a sebességgel terjed, mellyel a fény az üvegben halad, míg a másik rész, mely még kívül van, azzal a sebességgel, mellyel az éterben terjed. A hullámfront különböző részeinek az üvegbe való „behatolás” ideje alatt tapasztalt sebességkülönbsége miatt magának a hullámnak az iránya is megváltozik. Láthatjuk ebből, hogy nemcsak a korpuszkuláris, hanem a hullámelmélet is tud a fénytörésre magyarázatot adni. További vizsgálódások némi matematika felhasználásával megmutatják, hogy a hullámelmélet magyarázata egyszerűbb és jobb, s hogy a következtetések tökéletesen egyeznek a megfigyelésekkel. A mennyiségi módszerek lehetővé teszik, hogy a fény sebességét bizonyos törőközegben megállapíthassuk, ha a beesési szög ismeretes. Közvetlen mérések útján e számítás - és így a fény hullámelmélete is - pompás igazolást nyer.

Korpuszkuláris nyelven	Hullámelméleti nyelven
A különböző színekhez tartozó részecskéknek az űrben ugyanaz a sebességük, az üvegben meg különböző. \	A különböző színekhez tartozó különböző hullámhosszúságú sugarak sebessége az éterben ugyanaz, de az üvegben különböző.
A fehér fény a különböző színekhez tartozó részecskék keveréke, míg azok a színképben egymástól cl vannak választva.	A fehér fény mindenféle hosszúságú hullámok keveréke, míg a színképben egymástól el vannak választva.

Emlékezzünk rá, hogy a hullámot két szám jellemzi: sebessége és hosszúsága. A hullámelmélet elfogadása lényegében az, hogy a különböző színekhez különböző hullámhosszak tartoznak. Az egyszerű sárga fény hullámhossza különbözik a pirosétól vagy az ibolyáétól. A különböző színekhez tartozó részecskék mesterkélt elkülönítése helyébe a hullámhossz szerinti természetes megkülönböztetés lép. Így lehetséges, hogy Newton tapasztalatait a színszórásról mind korpuszkuláris, mind hullámelméleti nyelven két különböző módon is megfogalmazhatjuk. Például:

Célszerű volna - az ugyanazt a jelenségcsoportot magyarázó - a kétféle elmélet létezése okozta visszásságot megszüntetni úgy, hogy az előnyök és hátrányok alapos mérlegelése után valamelyik mellett döntünk. Az N és H között lefolyt párbeszéd azt mutatja, hogy ez nem könnyű feladat. A döntés itt inkább ízlés dolga, mint a tudományos meggyőződésé. Newton idejében, sőt jó száz év múltán is a legtöbb fizikus a korpuszkuláris elmélet híve volt.

A történelem csak jóval később, a XIX. század közepén mondott ítéletet, mégpedig a korpuszkuláris elmélet ellen a hullámelmélet javára. H azt állította N-nel folytatott beszélgetése kapcsán, hogy a két elmélet között a kísérlet döntése elvben lehetséges. A korpuszkuláris elmélet nem engedi meg a fényelhajlást, és éles árnyékokat követel. Viszont a hullámelmélet szerint eléggé kicsiny akadálynak nem kell árnyékot vetnie. Young és Fresnel munkáiban ez utóbbi kísérleti igazolást is nyert, amiből elméleti következtetéseket lehetett levonni.

Beszéltünk már egy rendkívül egyszerű kísérletről, melyben egyetlen nyílással ellátott ernyőt állítottunk egy pontszerű fényforrás elé, és a falon az árnyékot figyeltük. Most tovább egyszerűsítjük a kísérletet, amennyiben feltételezzük, hogy a fényforrás homogén fényt sugároz ki. Hogy jó eredményeket kapjunk, lehetőleg erős fényforrást kell használnunk. Képzeljük el, hogy a lyuk az ernyőben mind kisebbé és kisebbé válik. Ha erős fényforrást használunk, és sikerül a lyukat eléggé kicsinyíteni, akkor egy új és meglepő jelenség lép fel, olyasmi, amely a korpuszkuláris elmélet szemszögéből teljesen érthetetlen. Nincs többé éles határ sötét és világos helyek között a falon. A fény világos és sötét karikák sorozatán keresztül a sötét háttérbe megy át. A karikák megjelenése rendkívül jellemző a hullámelméletre. A sötét és világos mezők változása egy kissé eltérő kísérlettel válik érthetővé. Képzeljünk el egy sötét papírlapot két lyukkal, melyeken keresztül a fény átvilágíthat. Ha a lyukak nagyon közel vannak egymáshoz, és nagyon kicsikék, továbbá ha a homogén fényforrás elég erős, akkor sok világos és sötét csík fog a falon megjelenni, amelyek a széleik felé fokozatosan a sötét háttérbe mennek át. A magyarázat nagyon egyszerű. A sötét sáv ott keletkezik, ahol az egyik lyukon áthaladó hullám völgye a másik lyukon áthaladó hullám hegyével találkozik, úgyhogy egymást kölcsönösen megsemmisítik. A világos sáv viszont ott jelenik meg, ahol a két különböző lyukon áthaladó hullámhegy vagy hullámvölgy találkozik össze, és így egymást felerősítik.

Egy kicsit nehezebb a magyarázat az előbbi kísérletünknél a sötét és világos gyűrűk esetében, midőn csak egylyukú ernyőt használtunk, de az elv mégis ugyanaz. A világos és sötét csíkok fellépését kétlyukú ernyő esetén, illetve a világos és sötét gyűrűket egylyukú ernyőnél később még majd tárgyaljuk. Az itt leírt kísérletek a difrakciót vagy fényelhajlást mutatják, vagyis az egyenes iránytól való eltérést abban az esetben, ha kis nyílásokat vagy akadályokat állítunk a fény útjába.

Némi matematika segítségével lényegesen előbbre haladhatunk. Így például kiszámíthatjuk, milyen nagynak, helyesebben: milyen kicsinek kell lennie a hullámhossznak, hogy ilyen különleges képet állíthassunk elő. A leírt kísérletek lehetővé teszik a homogén fényforrás hullámhosszának megmérését. Hogy képet alkothassunk a számok kicsiségéről, adjuk meg a látható napszínkép két végének, a vörösnek és az ibolyának hullámhosszát:

Nem kell meglepődnünk e számok kicsinységén. Az éles árnyékot, vagyis a fény egyenes vonalú terjedésének jelenségét csak azért vesszük észre a természetben is, mert a szokott nyílások és akadályok rendkívül nagyok a fény hullámhosszához viszonyítva. Csak ha nagyon kicsiny nyílásokat és akadályokat használunk, akkor nyilvánul meg a fény hullámtermészete.

A fényelmélet története azonban ezzel még nincs befejezve. A XIX. század ítélete nem volt döntő és végérvényes. A modern fizikus előtt ismét fellép a fényrészecske és a hullám közötti választás problémája, ezúttal azonban mélyebb és bonyolultabb alakban. Mégis fogadjuk el a korpuszkuláris elmélet vereségét addig is, míg a hullámelmélet győzelmének vitatható jellegével megismerkedünk.

Minden optikai jelenség, melyet megfigyeltünk, a hullámelmélet mellett szól. A fény elhajlása kis akadályok körül és a fénytörés magyarázata a legerősebb bizonyítékai. Jegyezzük meg azonban, hogy mechanikai szempontból még egy másik feladatot is meg kell oldanunk: az éter mechanikai tulajdonságainak meghatározását. E probléma megoldásához tudnunk kell, vajon a fényhullámok az éterben longitudinálisak- vagy transzverzálisak-e. Más szóval: vajon úgy terjed-e a fény is, mint a hang? A közeg sűrűségváltozásának tulajdonítható-e a hullám, tehát a részecskék rezgései a terjedés irányában történnek-e, vagy valamely rugalmas kocsonyához hasonlít-e az éter, vagyis olyan közeghez, amelyben a részecskék csak a hullám terjedésének irányára merőlegesen mozognak?

Még a feladat megoldása előtt próbáljuk meg kitalálni, mi lesz a helyes válasz. Nyilván örülhetnénk, ha a fényhullámok longitudinálisak volnának. Egy mechanikai éter kérdésének nehézségei ez esetben lényegesen csökkennének. Az éterről alkotott képünk minden valószínűség szerint valamely gázéhoz hasonlítana. Sokkal nagyobb nehézségekkel járna olyan éter képét megrajzolni, amely transzverzális hullámokat szállít. Nem könnyű dolog egy kocsonyát mint közeget elképzelni, amely részecskéiből úgy van felépítve, hogy az éter inkább levegőszerű, mint kocsonyaféle, csakhogy a természet keveset törődik a mi elhatározásainkkal. Kegyes volt-e a természet ez esetben a fizikusokhoz, akik megkísérelték, hogy minden jelenséget a mechanika szemszögéből értsenek meg? Hogy e kérdésre felelhessünk, új kísérletet kell megbeszélnünk. Vizsgáljunk meg pontosan legalább egyet azokból a kísérletekből, amelyek e kérdésre feleletet adhatnak.

Képzeljük el, hogy van egy nagyon vékony turmalinkristály lemezünk, amelyet sajátos módon vágtak ki, de ennek pontos leírására itt nincs szükség. A kristálylemeznek elég vékonynak kell lennie, hogy egy fényforrás rajta keresztül látható legyen. Vegyünk most két ilyen lemezt, és tartsuk őket a fényforrás és a szemünk közé. Ha a lemezek elég vékonyak, azt várnánk, hogy egyetlen fénypontot fogunk látni; reményünk lehet rá, hogy a kísérlet várakozásunkat megerősíti. Nem törődve azzal a megjegyzéssel, hogy ez véletlen is lehet, fogadjuk el, hogy a két kristálylemezen keresztül látjuk a fényt. Változtassuk meg most fokozatosan, forgatással az egyik kristály helyzetét (41. ábra).

A tengely, mely körül a forgatás történik, egyúttal az érkező fénysugár irányát is jelölje. Ez azt jelenti, hogy a kristály minden részét elmozdítjuk, kivéve a tengely pontjait. Valami különös dolog történik! A fény egyre gyengébb lesz, míg végül teljesen eltűnik. Ha a forgatást tovább folytatjuk, ismét megjelenik, és az eredeti képet akkor kapjuk vissza, ha a kiindulási helyzetbe visszatérünk.

Anélkül, hogy ilyen vagy hasonló kísérletek részleteinek tárgyalásába bocsátkoznánk, feltehetjük a következő kérdést: magyarázhatók-e ezek a jelenségek longitudinális hullámokkal? Longitudinális hullámok esetén az éter részei a tengely hosszában, vagyis a sugár irányában mozognának. Midőn a kristályt elforgatjuk, a tengely mentén változás nem következik be. A tengelyen levő pontok nem mozdulnak el, sőt a tengely közelében is csak kis eltolódások történnek. Longitudinális hullámok esetében ilyen nagy változás, mint a kép eltűnése és újra megjelenése, nem állhatna elő. Ez - és sok más jelenség - csak azzal a feltevéssel magyarázható, hogy a hullámok transzverzálisak, és nem longitudinálisak. Más szóval: el kell fogadnunk azt a feltevést, mely szerint az éter „kocsonyaszerű” valami.

Ez nagyon kellemetlen! El kell készülnünk rá, hogy ha az étert mechanikai úton akarjuk magyarázni, óriási nehézségekre bukkanunk.

Ha le akarnánk írni mindazokat a fáradozásokat, melyek az étert mint fényt közvetítő közeget mechanikailag akarták értelmezni, igen hosszúra nyúlnék a mesénk. A mechanikai szerkezet, mint már tudjuk, azt jelenti, hogy az anyag egyes részecskékből áll, melyek között csak a távolságtól függő erők hatnak, mégpedig az összekötő vonalak irányában. Hogy a kocsonyaszerű éternek mint mechanikai anyagnak szerkezetét megmagyarázhassák, a fizikusoknak néhány igen mesterkélt és természetellenes feltevésre volt szükségük. Az eredmény azonban komoly és jelentős volt. A föltevések nyakatekertsége és az a tény, hogy egész sereg, egymástól független feltevésre volt szükség, végül is azonban a mechanikai felfogásba vetett hit megrendülésére vezetett.

A szerkezeti nehézségeken kívül azonban vannak más, egyszerűbb kifogások is, melyek az éterhipotézis ellen szólnak. Ha a fényjelenségeket mechanikailag akarjuk megmagyarázni, az étert mindenütt jelenlevőnek kell tekintenünk. Tagadnunk kell az üres tér létezését, ha a fény csak közegben terjedhet.

Tudjuk a mechanikából, hogy a világűr nem tanúsít ellenállást az anyagi testek mozgásával szemben. A bolygók például úgy mozognak az éterkocsonyán keresztül, hogy a legkisebb ellenállásra sem találnak. De ha az éter az anyagot mozgásában nem zavarja, akkor nyilván éter- és anyagrészecskék között semmiféle kölcsönhatás nem lehet.

A fény áthatol az éteren, a vízen és az üvegen is, azonban sebessége az utóbbi anyagokban megváltozik. Hogyan magyarázhatjuk e tényt mechanikailag? Csak úgy, hogy az éter és az anyag részecskéi között kölcsönhatást tételezünk fel. De éppen most láttuk, hogy a szabadon mozgó testeknél az ilyen kölcsönhatásokat nem kell mindig feltételezni, például a bolygóknál. Más szóval: az éter és anyag közötti kölcsönhatás fennáll az optikai jelenségeknél, de a mechanikaiaknál nem! Ez bizony nagyon furcsa következtetés!

Úgy látszik, hogy e nehézségeknek csak egyetlen megoldásuk van. A természeti jelenségek mechanikai magyarázatához, a tudomány fejlődése folyamán egész a XX. századig, mindig szükség volt bizonyos mesterséges anyagokra, elektromos és mágneses folyadékokra, fényrészecskék vagy az éter bevezetésére. Az eredmény mindössze annyi volt, hogy a nehézségeket néhány lényeges pontra sikerült összesűríteni. Vegyük például az étert az optikai jelenségekkel kapcsolatban. Azok az eredménytelen próbálkozások, amelyek az éter szerkezetének egyszerűsítését célozták, az öszes többi ellenvetéssel együtt arra mutatnak, hogy az alaptévedés abban a feltevésben rejlik, hogy minden fizikai jelenség az egyetlen mechanikai szempontból magyarázható. A tudománynak nem sikerült a mechanikai módszert meggyőző módon végigvezetnie, sőt ma már az ilyen megoldás lehetőségébe vetett hit is teljesen kiveszett.

A főbb fizikai eszmék seregszemléje alkalmával néhány megoldatlan problémával találkoztunk, nehézségekre és akadályokra bukkantunk, melyek kilátástalannak mutatták fáradozásainkat, hogy a környező világ minden jelenségéről egységes és következetes képet alkossunk. A klasszikus mechanikában figyelmen kívül maradt a nehézségi és tehetetlenségi erők azonossága. Felmerült az elektromos és mágneses folyadékok mesterkéltsége. Az elektromos áram és a mágnestű közötti kölcsönhatásban szintén megoldatlan nehézséget fedeztünk fel. Amint emlékszünk, ez az erő nem az áramot és a mágnest összekötő egyenes mentén hatott, azonkívül függött a mozgó töltés sebességétől is. Az erő irányának és minőségének törvénye igen bonyolult. És végül jöttek az éterrel kapcsolatos bonyodalmak.

A modern fizika mindezekkel a problémákkal megküzdött, és megoldotta őket. Azonban e megoldásokért folytatott harcban újabb és mélyebb problémák vetődtek fel. Tudásunk most átfogóbb és alaposabb, mint a XIX. század fizikusáé volt, de ugyanez áll kétségeinkre és nehézségeinkre is.

Az elektromos folyadékokra, a korpuszkuláris és a hullámelméletre vonatkozó régi elméletekben további próbálkozásoknak vagyunk tanúi a mechanikai nézőpont alkalmazására. Ezek során azonban az elektromos és optikai jelenségek birodalmában nagy nehézségekbe ütközünk.

Ha a mágnestűre mozgó töltés hat, az erő nemcsak a távolságtól, hanem a töltés sebességétől is függ. Az erő sem vonzó, sem taszító, hanem a töltést és a tűt összekötő vonalra merőlegesen hat.

Az optikában a hullámelmélet javára kell döntenünk a korpuszkulárissal szemben. Olyan hullámok elképzelése, melyek részekből álló közegben terjednek, s a részek között erők működnek, bizonnyal a mechanika világából való felfogás. De milyen közegben terjed a fény, és melyek e közeg mechanikai sajátságai? Míg e kérdésre nem feleltünk, reményünk sincs arra, hogy az optikai jelenségeket mechanikaiakra vezessük vissza. E probléma megoldásának nehézségei azonban olyan nagyok, hogy a mechanikai álláspontot el kell vetnünk.

303 000 000 000 000 000 000 000

0,000 000 000 000 000 000 000 0033 g

II. A MECHANIKAI NÉZŐPONT HANYATLÁSA