Fysiikan historia kevät 2011 Luento 8
Valo Valo ja näkeminen ovat jokapäiväisiä ilmiöitä, joten niiden selittämisellä on pitkä historia. Taistelua on käyty aaltoteorian ja hiukkasteorian välillä ja myös siitä, onko valon nopeus äärellinen vai ääretön. Valosta on nykyihmisilläkin paljon samoja virhekäsityksiä, jotka ovat olleet vallalla historian eri vaiheissa. Kvanttifysiikka ja valon kvanttiteoria selittävät valon, näkemisen ja värit ymmärrettävällä tavalla. Valon ymmärtämisen virstanpylväitä Näkeminen ei perustu silmästä kohteeseen kulkevaan valoon Valo etenee suoraviivaisesti, valonsäteen käsite Valo lähtee lähteestä kaikkiin suuntiin Taittuminen ja heijastuminen Silmän toimintaperiaate Valon aaltoluonne Valo sähkömagneettista aaltoliikettä Valon kvanttiteoria
Valokäsityksiä ennen luonnontieteen vallankumousta Empedokles (490-430 eaa) Valo virtaa silmistä ja valaiseen kohteen Eukleides (365-330 eaa) kreik. geometrian isä Näkeminen perustuu auringonvalon ja silmästä tulevan valon vuorovaikutukseen keskenään. Vuorovaikutus saa ihmisen tiedostamaan kohteen, pelkkä auringonvalo ei riitä siihen. Silmästä lähtevä valo osuu esineeseen ja heijastuu siitä takaisin silmään. Näkemisessä on ihmisellä aktiivinen rooli, ei pelkkä vastaanottaja Ptolemaios (90-168) Pani merkille valon taittumisen ilman ja veden rajapinnalla. Lasissa oleva kolikko liikkuu, kun lasiin kaadetaan vettä.
Alhazen (Abu Ali al Hassan ibn al Haitham) (965-1040) arabimatem. ja fyysikko, Basra Kitab al- Manazir (Kirja optiikasta). Ensimmäisiä, jolle miksi tapahtuu ei riittänyt selitykseksi luonnonilmiöille vaan hän kysyi miten tapahtuu. Tieteellisen metodin ensimmäisiä edustajia. Valo ei tule silmästä vaan Auringosta. Päätteli tämän kirkkaista kohteista aiheutuvan kivun ja jälkikuvien perusteella eli jotain on tullut silmiin. Fysiologisen optiikan ensimmäinen edustaja. Auringonvalo lähtee suorina säteinä kaikkiin suuntiin, osuu kohteeseen ja heijastuu silmään. Tiesi neulansilmäkuvan periaatteen, ja yritti selittää, miksi ihminen näkee esineet oikein päin vaikka silmä kääntää kuvan ylösalaisin. Valonsäteitä lähtee kaikkiin suuntiin. Nykyisin piirretään pisteestä lähtemään harhaanjohtavasti vain yksi tai muutama valonsäde.
Alhazen tutki myös mm sateenkaaren syntyä, auringonpimennystä, varjon käsitettä. Hän myös oletti valon koostuvan useista toisiinsa sekoittuneista väreistä. Alhazer demonstroimassa valon taittumista. H. Andersonin posteri, 1936. Alhazenilla oli myös selitys illuusiolle, jonka mukaan Aurinko ja Kuu näyttävät taivaanrannassa suuremmilta kuin ylempänä taivaalla. Hänen mukaansa ihminen kuvittelee taivaan litteäksi, joilloin hän otaksuu Kuun ja Auringon olevan ylhäällä lähempänä maata ja siksi myös pienempiä kuin ne oikeasti ovat.
Optiikka Newtonin aikana Isaac Newton tutki valon luonnetta ja teki merkittäviä optiikkaan liittyviä keksintöjä. Osti 1664 Stourbridgen markkinoilta prisman ja alkoi tehdä sillä tieteellisä kokeita. Aiemmin luultiin, että spektri syntyy, koska prisma värittää valoa. Newton osoitti tämän vääräksi ja todisti valon koostuvan erivärisistä osista, jotka prisma erottaa toisistaan. Osoitti, että valon eri värit ovat omia entiteettejään, joita on mahdoton muuttaa toisikseen ja jotka taittuvat prismassa eri tavalla. Hän kutsui koettaan nimellä experimentum crusis. [Kokeesta on lisämateriaalia kurssin sivulla.] Aristoteleen mukaan värit saadaan aikaan sekoittamalla valkoista ja mustaa sopivissa suhteissa. Tätä oppia oli vaikea saada väistymään. Newtonin piirros prismakokeistaan.
Onko valo aaltoja ja hiukkasia? Newton esitti hypoteesin, että valo koostuu pienistä hiukkasista, korpuskeleista. Heijastuminen rajapinnasta: pinnalla on työntävä voima, joka saa korpuskelien radat kääntymään pinnasta poispäin. Taittuminen rajapinnassa: jotkin aineet kohdistavat korpuskeleihin vetovoiman, joka kääntää korpuskelien radat pinnan lähellä pintaan päin. Ongelma oli yhtä aikaa tapahtuva osittainen heijastuminen ja osittainen taittuminen. Newton selitti, että korpuskeleilla on kaksi tilaa, joista toinen tuntee vetovoiman, toinen työntävän voiman. Tilat vaihtelevat tiuhaan. Selitti tällä tavalla Newtonin renkaat (eri väreillä erilainen tilanvaihtumisnopeus) Newton ei ollut tyytyväinen teoriaansa, se oli liian konstikas.
Huygens esitti 1690, että valo koostuu maailmaneetterissä etenevistä pitkittäissuuntaisista häiriöistä. Häiriöt etenevät pallomaisesti kaikkiin suuntiin. Malli ennusti, että valo etenee tiheässä aineessa hitaammin kuin harvassa aineessa, päinvastoin kuin Descartes väitti. Huygensin mallissa valorintaman jokaisen pisteen ajatellaan olevan uuden pallomaisen häiriön lähde. Eri pisteistä lähtevät häiriöt kumoavat toisiaan niin, että valonsäde etenee vaan tiettyyn suuntaan. Nykyisin tätä sanotaan interferenssiksi, mutta se oli Huygensille tuntematon asia (hän puhui pulsseista, ei aalloista). Huygensin teoria ei selittänyt värejä. Newton arvosteli teoriaa myös siitä, että eetteri vaikuttaisi taivaankappaleiden liikkeisiin eli gravitaatio ei olisikaan ainoa voima, kuten hänen hyvin toimivassa painovoimateoriassaan. Valon taittuminen Huygensin teorian mukaan.
Newtonin teoria voitti teorioiden taistelun sillä erää. Siitä tuli laajasti hyväksytty, ja Newtonin opetuslapset ja seuraavat uskoivat siihen enemmän kuin Newton itse*. Newtonin kova kilpailija Englannissa oli Robert Hooke (1635-1703), joka oli aaltoteorian kannattaja. Kova kiista Royal Societyssä. Newton: En enää koskaan tee tieteellistä työtä! Kirja Opticks ilmestyi vasta 1704, Hooken kuoleman jälkeen. *Alexander Pope (Valistusajan runoilija): "Nature and Nature's laws lay hid in night; God said, Let Newton be! and all was light." Hooken mikroskooppi Newtonin peilikaukoputki.
Thomas Young (1773-1829, eng. monitoimimies) Osoitti, että kaikkia valon ominaisuuksia ei voida selittää hiukkasmallilla. Tarvitaan aaltoliikkeen kanssa analoginen malli, jossa tapahtuu interferenssi. Valoaaltoja on vaikea havaita, toisin kuin mekaanisia aaltoja, koska valon aallonpituus on niin pieni. Young paljasti aaltoluonteen kaksoisrakokokeella 1800. Youngin teoria ei saavuttanut suosiota, sillä monien oli vaikea uskoa, että kakta valoa yhdistämällä saadaan pimeyttä. Tarvittiin lisätodisteita. Young s drawing of his Double split experiment. The double split experiment for particles and waves.
Vuonna1817 Ranskan tiedeakatemia julisti kilpailun, jonka tarkoituksena oli ratkaista kysymys, onko valo aaltoja vai hiukkasia. Kilpailun voitti Augustin Fresnel (1788-1827) teoreettisella työllä, joka käsitteli diffraktiota. Palkintolautakunta (Simeon Poisson, Jean Biot and Pierre Laplace) oli aluksi epäileväinen Fresnelin tulosten suhteen, Poisson jopa väitti jotain tuloksia vääriksi. Naurettavana Poisson piti Fresnelin tulosta, että pöyreän kappaleen varjon keskellä on valopiste. Tehtiin koe, ja siellähän se piste oli! Tähän päättyi Newtonin hiukkasmallin tarina ja valo hyväksyttiin aaltoliikkeeksi. The shadow of a round opaque disc showing diffraction circles and Fresnel s bright spot in the center. Fresnel is also known for his light lense, which has a large aperture but a short focal length. It is used in particular in light houses. 1. Fresnel lense, 2. Normal lense.
Myöhempiä kehitysvaiheita Heinrich Hertz tutki Maxwellin ennustusta sähkömagneettisen säteilyn olemassaolosta ja onnistui 1888 osoittamaan sen oikeaksi. Hän myös päätteli, että valo on sm- säteilyä, sillä sm- säteily käyttäytyi (nopeus, heijastuminen, polarisoituminen, ) samalla tavalla kuin valo. Hertzin koejärjestely. Vuonna 1905 Albert Einstein osoitti, että valo (sm- säteily) koostuu erillisistä hiukkasmaisista objekteista, fotoneista. Tämä oli johtamassa kvanttifysiikan hiukkas- aalto- dualismiin. Sen mukaan säteilyllä ja hiukkasilla on molemmilla sekä aaltomaisia että hiukkasmaisia ominaisuuksia. Kvanttitason maailmassa makroskooppinen todellisuus pitää korvata tällä kuvalla.