Thomas Young i interferencja światła (1802)

Lepiej wiedzieć wszystko na jakiś wąski temat, niż wiedzieć o wszystkim po trochu. To jedna z wad systemu szkolnego: niczego nie uczy się porządnie (*), ponieważ należy uczyć zbyt wielu rzeczy, a wszystkie są rzekomo niezbędne. Thomas Young nie chodził zbyt wiele do szkoły, rodziny nie było na to stać, wiedział jednak wszystko albo prawie wszystko na bardzo wiele tematów. Był kwakrem i wychowany został surowo, w szacunku do pracy. I choć jako młody człowiek pozwalał sobie na pewne „wykroczenia” – uczył się np. muzyki i tańca – to, gdy umierał w wieku pięćdziesięciu pięciu lat, mówił o sobie, że nie stracił w życiu ani jednego dnia na próżnowanie.

Miał zdolności językowe: ponoć już w wieku dwóch lat płynnie czytał, jako sześciolatek zaczął się uczyć łaciny. Po kilku latach w szkole wrócił do domu, aby uczyć się samodzielnie. Nauczył się w ten sposób nie tylko łaciny i greki, ale także języków hebrajskiego, chaldejskiego, syryjskiego, perskiego i arabskiego. Jako nastolatek zarabiał zresztą jako tutor języków klasycznych. Z czasem doszły do tego także główne języki nowożytne. Nie znaczy to, że był „humanistą” w dzisiejszym znaczeniu tego słowa. Jednocześnie bowiem konstruował urządzenia optyczne, pracował na tokarce i czytał, jak na Anglika przystało, Isaaca Newtona. Optyka jest łatwa, ale samodzielne przestudiowanie Principiów przez nastolatka było może nawet większym wyczynem niż nauczenie się tak wielu języków, książka bowiem jest legendarnie trudna i pozostała taka właściwie po dziś dzień.

473px-Thomas_Young_(scientist)

Młodzieniec został lekarzem, studiował w Edynburgu, Getyndze i w Cambridge. Te ostatnie studia wymagane były, aby praktykować w Anglii. Musiał też Young oficjalnie porzucić swoje wyznanie, gdyż warunkiem przyjęcia na studia w Cambridge było wyznanie anglikańskie (polityka wykluczania religijnych dysydentów często dawała zresztą skutki nieprzewidziane przez ustawodawców: robili oni majątki albo karierę poza systemem). W wieku dwudziestu lat Young odczytał w Towarzystwie Królewskim pracę na temat mechanizmu akomodacji oka i na tej podstawie wybrany został na członka szacownego gremium. Chodzi o mechanizm wytwarzania na siatkówce ostrego obrazu przedmiotów w szerokim przedziale odległości: od pewnej minimalnej aż do nieskończoności. W aparacie fotograficznym wysuwa się w tym celu obiektyw, niektórzy sądzili, że coś podobnego zachodzi w oku. Inni uważali, że to rogówka zmienia kształt. Young wysunął twierdzenie, że kształt zmienia soczewka oka poruszana przez pewne mięśnie. Opisał też przy okazji wadę własnego wzroku, znaną później jako astygmatyzm. Niedługo potem twierdzenia Younga zostały zakwestionowane i rozgorzała na temat akomodacji dyskusja. Mogło się wydawać, że młodzieniec, którego koledzy w Cambridge nazywali: „Young-fenomen”, przedwcześnie został uznany za pełnoprawnego badacza. Jednak to Young miał rację.

Kontrowersje towarzyszyć miały mu zresztą przez lata, mimo że nie był nigdy agresywny w prezentowaniu własnych osiągnięć. Najważniejsze okazały się jego prace na temat natury światła. Po Newtonie mało kto ośmielał się twierdzić, że światło nie składa się z cząstek. Jako pilny czytelnik Optyki, Thomas Young zdał sobie szybko sprawę, że wiele opisanych tam zjawisk niezbyt zgadza się z oficjalnym punktem widzenia słynnego przewodniczącego Towarzystwa Królewskiego. Ponadto Young zajmował się falami dźwiękowymi (przedłużenie zainteresowań medycznych i muzycznych!) i dostrzegał pewne analogie między akustyką i optyką. Toteż wysunął hipotezę, że światło to fale. W ojczyźnie Newtona brzmiało to jak prowokacja, czego sumienny i skupiony na dociekaniu prawdy Young zdawał się nie dostrzegać.

Jednym z doświadczalnych dowodów falowego charakteru światła jest zjawisko interferencji. Obserwował je m.in. patrząc na umieszczony w pewnej ustalonej odległości przed okiem włos o grubości 0,042 mm, na który padało światło dalekiej świecy. Widać było prążki na przemian jasne i ciemne dla różnych kątów θ

youngDla kąta zero otrzymuje się zawsze prążek jasny. Pierwszy prążek jasny dla światła czerwonego powstawał, gdy kąt wynosił  θ=0,78º. Znaczyło to, że fala z jednego końca włosa musi przebyć drogę dłuższą niż z drugiego dokładnie o jedną długość fali: w ten sposób grzbiet jednej fali przypada na grzbiet drugiej, a dolina na dolinę i wypadkowa fala ma dwa razy większą amplitudę. Długość fali światła czerwonego wyszła Youngowi równa 0,58 μm = 0,00058 mm, nieco za mało, prawdopodobnie za sprawą błędu w pomiarze grubości włosa. Zastosowanie teorii Younga do eksperymentów Newtona cytowanych w Optyce dawało bliższą prawdy długość fali światła czerwonego 0,65 μm. Później Young udoskonalił swe doświadczenie tak, aby interferowały dwie fale biegnące z dwóch stron cienkiego obiektu. Pokazał, że prążki pojawiają się wtedy, gdy światło dociera do ekranu z obu stron przeszkody: fala rozdziela się na dwie, po czym łączy z powrotem. Kiedy jedną stronę przesłonimy, obraz interferencyjny znika. Dziś doświadczenie Younga przedstawia się zwykle w postaci takiej, jak na fotografii poniżej.

Single_slit_and_double_slit2

Jest to obraz fali świetlnej lasera po przejściu przez jedną szczelinę oraz przez dwie takie szczeliny. Widzimy, że natężenie światła dla dwóch szczelin nie jest sumą natężeń dla dwóch oddzielnych szczelin – zmienia się całkowicie charakter obrazu: dzieli się on niejako na prążki. Są one efektem sumowania pól elektrycznych obu fal, a nie natężeń.

Prace optyczne Younga zostały wyszydzone we wpływowym czasopiśmie „The Edinburgh Review”. Anonimowy recenzent wyśmiewał „drżący i falujący sposób myślenia” Younga, wytykał mu zmiany poglądów w różnych kwestiach i ubolewał nad tym, że Towarzystwo Królewskie degraduje się, dopuszczając do wygłaszania jakichś mętnych hipotez o falowej naturze światła. Głupców krytykujących rzeczy, których sami nie potrafią zrobić, nie brakowało oczywiście i wtedy. Kłopot Younga polegał jednak na tym, że owym głupkowatym autorem recenzji był Henry Brougham, arystokrata, prawnik z wykształcenia, człowiek wpływowy, w przyszłości lord kanclerz Anglii. Atakował on także poezję lorda Byrona, który zrewanżował mu się satyrycznym wierszem. Poeta wymieniał potem Broughama – „jadowitą gadzinę” – jako jedną z dwóch osób na świecie, których nienawidzi (drugim był odnoszący oficjalne sukcesy poeta Robert Southey). Young źle zniósł wyskoki Broughama, przestał zajmować się optyką na wiele lat i wrócił do niej dopiero wtedy, gdy po drugiej stronie Kanału La Manche zaczęły ukazywać się prace Augustina Fresnela, drugiego pioniera falowej teorii światła.

Ciekawe są dalsze losy tego poglądu. Tak, jak w wieku XVIII niemal wszyscy uważali światło za cząstki, w wieku XIX zapanował pogląd falowy. Światło miało się rozchodzić w eterze – ośrodku wypełniającym wszechświat (został nam po nim zwrot „na falach eteru”). Na początku XX wieku Albert Einstein stwierdził, że eter nie istnieje, a światło to cząstki. Nie znaczy to, że wróciliśmy do Newtona: światło to cząstki kwantowe, które zachowują się w sposób dla nas zaskakujący. Doświadczenie Younga z dwiema szczelinami stało się niezwykle ważne: wiemy, że mogą w ten sposób interferować wszelkie cząstki dostatecznie małych rozmiarów, np. elektrony, ale i fullereny C60 – czyli coś w rodzaju małej piłki futbolowej z atomów węgla.

Thomas Young współpracował też jako ekspert z Encyclopaedia Britannica pisząc hasła takie, jak alfabet, renty wieczyste, mosty, włoskowatość, ciesielstwo, kohezja, kolory, dwójłomność, Egipt, tarcie, halo, Herkulanum, hydraulika, ruch, opór ośrodka, budowa dróg, maszyny parowe, pływy, fale, wagi i miary. Pod koniec życia zajmował się odczytywaniem hieroglifów egipskich. Był najważniejszym ich badaczem przed Champollionem. Niedługo przed śmiercią zajmował się układaniem słownika języka egipskiego, wiedząc, że nie zdąży go skończyć. Mówił, że praca ta wcale go nie męczy, przeciwnie: dostarcza mu rozrywki.

miscellaneouswo02youngoog_0217y

Fragment z pracy Younga, Miscellanous Works. t. 3, London 1855.

(*) Spotkałem się z propozycją, aby każdy uczeń w trakcie swej szkolnej kariery musiał zajmować się pewnym wybranym, lecz ustalonym tematem. Wyglądałoby to jakoś tak, że np. uczeń dostaje jako temat jabłka i przez lata co jakiś czas pogłębia swoją wiedzę na ich temat. Do końca szkoły średniej mógłby zostać niemal ekspertem od jabłek. (Pisze o tym amerykański specjalista od edukacji Kieran Ewan w książce, Learning in Depth: A Simple Innovation That Can Transform Schooling, University of Chicago Press, 2010).

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s