Új Szó, 2019. május (72. évfolyam, 101-125. szám)
2019-05-03 / 102. szám
101 TUDOMÁNY ÉS TECHNIKA 2019. május 3. | www.ujszo.com Tudományos vita a fény természetéről Ha egy fénysugarat képzelünk magunk elé, akkor abban megláthatjuk a hullámot is, de a fényrészecskék egy irányba terjedő sokaságát is beleképzelhetjük a sugárba (Fotó: Shutterstock) HORÁNYI GÁBOR Nem túlzás azt állítani, hogy a modern fizika lényegében a fénnyel kapcsolatos kutatásokból nőtt ki. A relativitáselméletet a fény megfigyelőtől független sebességének gondolata alapozta meg. A kvantummechanika a fényrészecskék, a fotonok fogaiméra épül, melyek realitásét Einstein fényelektromos jelenség értelmezésére alkotott Nobeldíjas magyarázata igazolta. A közvéleményt néhány hete lázban tartó fekete lyuk fényképét a környezetéből érkező, szabad szemmel nem észlelhető elektromágneses hullámok (rádióhullámok) alapján készítette el egy 200 fos tudóscsapat. De vajon mi a fény? Mik a sajátságai? Mit tudhatunk a természetéről? Hogyan képzeljük el? A fenti rövid bevezetőben hullámként s részecskeként is leírtuk a fényt. De mi a fény valójában? Van-e olyan, hogy valójában? Ha egy fénysugarat képzelünk magunk elé, akkor abban megláthatjuk a hullámot is, de a fényrészecskék egy irányba terjedő sokaságát is beleképzelhetjük a sugárba. A fény természetére vonatkozó viták több évszázadra nyúlnak vissza. Christian Huygens holland fizikus a fényt hullámként képzelte el, míg kortársa, Isaac Newton a fényt részecskék segítségével írta le. A fény leírásában rejlő kettősségnek az ad különös érdekességet, hogy számos olyan kísérlet létezik, melynek segítségével az vizsgálható, hogy a fény inkább részecske-e, vagy inkább hullám. Newton nemcsak a fény részecskeelméletének híveként ismert, hanem az általa kidolgozott színelméletről is. A fehér fényt prizmával színekre bontotta, majd a különböző színű összetevőket prizmával ismét egyesítette fehér fénnyé, igazolva ezzel a Napból érkező fény összetettének voltát. De milyen tulajdonságokban térnek el egymástól a fehér fény különböző színű összetevői? A hullámelmélet szerint a frekvenciájukban, azaz a hullámban zajló rezgés ütemében. A nagyobb frekvencia kékebb, a kisebb vörösebb színt jelent, De hogyan lehet a fényrészecskéknek frekvenciája? Hogy alkalmazható mindez a newtoni részecskemodellre? Newton a nehézségek ellenére azon az állásponton volt, hogy a fény részecskékből áll, s a különböző színeket reprezentáló öszszetevők a megfigyelőben keltett hatásukban térnek el. A részecskeelképzelés mellett szólt a fény visszaverődésének törvénye. A fény úgy verődik vissza egy tükröző felületről, mint a biliárdgolyók a biliárdasztal faláról. A beesés szöge azonos a visszaverődés szögével. Ez az elképzelés könnyen értelmezhető volt a részecskék mechanikai tulajdonságaival, ahogy a fény törését leíró törvényre is lehet részecskemodellt kreálni, miként ezt Newton előtt már Descartes is megtette. A fény törése és visszaverődése - ha kissé bonyolult módon is - de a hullámmodellel is értelmezhető. Könnyíti az értelmezést, ha a fényt nem a hanghullámhoz hasonló longitudinális (hosszanti) hullámnak tekintjük, ahogy ezt Huygens tette, hanem a víz hullámzásához hasonló tranzverzális (keresztirányú) hullámként gondolunk rá. A fény természetére vonatkozó vitákat sokáig Newton tekintélye határozta meg, de a 19. századra a kérdés eldőlni látszott, mégpedig a hullámpártiak javára. Ebbe az irányba mutatott néhány olyan kísérlet, mely nehezen, vagy egyáltalán nem volt értelmezhető a fény részecsketermészetével. Ilyenek a tipikusan hullámokra jellemző elhajlási jelenségek. Ha egy szűk nyíláson keresztül hullámokat indítunk el, akkor a húllámok a nyílás mögött mindenhováeljutnak. Míg egy szűk nyíláson átlőtt részecskék aligha hatolnak be a nyílástól jobbra és balra lévő árnyékzónába. A hullámok elhajlását a hullámok egymással való kölcsönhatását leíró interferencia elv segítségével lehetett értelmezni. Mindezt a fényrészecskékkel leírni majdnem lehetetlennek bizonyult. A hullámelmélet végsőnek tűnő győzelme szempontjából fontos jelenség a polarizáció. Egy tranzverzális hullám polarizálhatósága annyit jelent, hogy a hullámtér pontjainak térben tovaterjedő rezgése a polarizátor (rés) segítségével egy kitüntetett síkba kényszeríthető. Mivel a polarizátor megakadályozza a saját polarizációs síkjára merőleges rezgéseket, ezért egyfajta szűrőként viselkedik. Ezt a jelenséget könnyen megfigyelhetjük a fény esetében. Polárszűrős szemüvegeink a különböző tükröző felületekről visszaverődő polarizált fényt szűrik, s így teszik zavarmentesebbé látásunkat. A 3D-s mozi megvalósításának egyik útja szintén a polárszűrős szemüvegekhez kapcsolódik. A film vetítése során a bal és jobb szem számára alkotott, kissé eltérő képet látunk, éppen úgy, mint a természetes látás során. A két képet speciális szemüveg, bal és jobb szemünkre eltérő polarizációs síkú szűrőt helyezve választja szét számunkra, ezzel biztosítva a térbeliség illúzióját. Amennyire általános tulajdonsága a fénynek a polarizáció jelensége, olyan kevéssé igazolható részecskemodellel. A felsorolt jelenségeken túl, az igazi csapást a fény részecskeelméletére az elektromosság és mágnesség elméletének egyesítése jelentette, nem kismértékben Michael Faraday munkásságának köszönhetően. A mágnesességről bebizonyosodott, hogy áramló töltések keltik. A nyugalomban lévő elektromos töltések az elektromos tér forrásai, így az áramló töltések időben változó elektromos teret jelentenek. Az időben változó elektromos tér mágneses teret kelt. Ezzel párhuzamosan az időben változó mágneses terek elektromos teret keltenek. Egy mágnesrúd mozgatásával is áramot hozhatunk létre egy megfelelő vezetőben. A váltakozó irányú áram hatására keletkező váltakozó mágneses tér segítségével töltjük fel elektromos fogkeféinket minden fémes kontaktus nélkül. Az áramok mágneses teret, a váltakozó áramok váltakozó mágneses teret hoznak létre, ami viszont váltakozó elektromos teret eredményez. Az egymást keltő változásai az elektromos és mágneses térnek térben tovaterjedő elektromágneses hullámban öltenek testet, melynek sebessége éppen a fény akkor már viszonylag pontosan megmért sebességének adódott. Mindez nem lehetett véletlen. A fény természetéről szóló vita lezárult a 20. század kezdetére. A fény nem részecske, hanem hullám, elektromágneses hullám. Az állítást alá nem támasztó kísérleti eredmények fokozatosan beilleszthetőnek tűntek a hullámmodellbe, s a fizikusok úgy érezték, hogy a világ megértésének fontos lépcsőfokára jutottak el. Azután a közeli jövő kutatási eredményei meglehetős intenzitással cáfoltak rá a fényre vonatkozó, már-már nyugvópontra jutott vitára. Ami a fényről ezután kiderült, legalább annyira szólt az emberről, aki saját észlelő és értelmező berendezéseinek korlátjaival küzdve próbálja megérteni azt a világot, melyről feltételezi, hogy objektiven leírható, mint magáról a fényről. Legközelebb a fény 20. századi elméletével foglalkozunk. Az aszteroidák segítenek a csillagok felmérésében MTI-HÍR Az aszteroidák segítenek a csillagok felmérésében: egy új, a korábbiaknál precízebb módszerrel határozható meg a távoli csillagok mérete. A kutatók speciális teleszkópokkal fogják fel a legkisebb árnyékot is, amely akkor keletkezik, amikor a Naprendszer aszteroidái elhaladnak a távoli csillagok előtt. A nemzetközi kutatócsoport a Nature Astronomy című szaklapban mutatta be az új módszert. A VERITAS-eljárással (V ery Energetic Radiation Imaging System) a kutatók meghatározták többek között egy 2674 fényévnyire lévő óriáscsillag méretét. „Minden nap elhaladnak előttünk aszteroidák nagyon gyenge árnyékai” - mondta Tarek Hassan, a németországi Desy kutatóközpont munkatársa. Mint elmondta, az árnyék szélei nem élesek, ehelyett vízi hullámokhoz hasonló fénymintázatokkal van körülvéve. Ezen elhajlási mintázat alapján lehet következtetni a fényforrás kiteljedésére, a csillag méretére. Hogy a módszer nagyon távoli csillagok esetében is használható legyen, a VERITAS-módszert Cserenkov-teleszkóppal egészítették ki, mely nagyobb felbontást biztosít. Az amerikai Arizona államban lévő Fred Lawrence Whipple Csillagvizsgálóban sikerült a különösen kis szögátmérőjű csillagok elhajlási mintázatát megmérni. A szögátmérő a Földről észlelve látható méret. A kutatók a módszerrel többek között azt állapították meg, hogy a TYC 5517-227-1 csillag átmérője mintegy 11-szer nagyobb, mint a Napé. Ezzel a vörös óriások közé tartozik. Ezen kívül meghatározták a szögátmérőt a TYC 278-748-1 jelű csillag esetében is, amelyet 2018 májusában ideiglenesen lefedett a 88 kilométeres Penelope nevű aszteroida. A mérés szerint szögátmérője 0,094 ívmásodperc, amely 700 fényévnyi távolságból a Nap átmérőjének 2,17- szeresének felel meg. „Ez a valaha csillag esetében mért legkisebb szögátmérő” —mondta Daniel. Sikerült a különösen kis szögátmérőjű csillagok elhajlási mintázatát megmérni (Fotó: Shutterstock)
