Napjainkban a természettudomány jogos büszkességgel számlálja elô azokat az új területeket, melyeket a természettôl az eddig ismeretlenbôl elhódít. Az atomnak és az atom alkatrészeinek felderítése, a molekula belsô erôinek megértése, a nagymolekulákon keresztül való elôretörés az élet alapjelenségeinek megpillantása felé: ezek az eredmények jelzik a kívülálló felé is: az új, eddig ismeretlen területeket, hol a tudomány ma már otthonosan mozog. Ez a valóban bámulatos haladás könnyen ejthet tévedésbe. Úgy tûnhetik, hogy a tudomány célja csupán egyre több és több megismerési elemnek a bekapcsolása, egyre több tartalomnak a tudomány számára való leltározása, hol az egyszer már elkönyvelt ismeret a birtokállomány változalan része marad. Ha így volna, akkor a tudomány nem lenne élô szervezet. A tudományban nincsenek elraktározott ismeretek, hanem élô, folyton változó, alakuló, fejlôdô ismeretek vannak. Az elôretörés mellett az elmélyedés teszi a tudományt élôvé, ezáltal alkalmazkodik a tudomány a természet kimeríthetetlenségéhez, ezáltal fedezzük fel a jelenségeknek – melyeket már teljesen megismerteknek hittünk – eddig nem is sejtett új oldalát.

AIig van ismeretesebb jelenség az ember mindennapi életében és a természettudományban, mint a fény. Elkápráztató bôséggel zuhog le ránk a Napból, formálja életünket, eligazít bennünket a világban, tájékoztat körmyezetünkrôl, nélküle tényleg “vak világ” volna a világ. Ennek rnegfelelôen fejlôdött ki legérzékenyebb, legfinomabb szerkezetû érzékszervünk: szemünk is; mondhatjuk tehát, hogy a természet jelenségei közül legjobb felkészültségünk van a fény érzékelésére. S mégis minden közvetlenség, minden viszonylagos egyszerûség mellett is, a fény ugyanúgy kimeríthetetlenül bonyolult jelenség tudományos megismerésünk, megértésünk számára, mint a természet más titkai. A fény semmivel sem kevésbbé bonyolult, mint az elektron vagy az atom, a fénynek ugyanúgy megvannak a nagy kérdései, mint az anyagnak vagy az anyagi részecskék kölcsönhatásának.

A fizika történetét szemlélve lehetetlen észre nem vennünk azt a “bujócskát", melyet a fény a megismerésére törekvô emberrel "játszik". Innen az a sok fényelmélet, melyek egymást váltogatják. Mindegyik számot tart arra, hogy megértette, megmagyarázta a fény jelenségeit, újabb és újabb kísérletek válnak azonban ismertekké, melyek sehogysem férnek bele az elôbbi elméletbe.

Eltekintve az ókori – ma már tisztán spekulatívnak tekinthetô – elgondolásoktól (melyek között pl. az is elôfordult, hogy a fény az emberi szembôl indul ki, a fény az emberi szem "tapogató" szerve), az elsô tudornányos fényelmélet Huygenstôl származik. Huygens ismerte már a Snellius–Descartes-féle törvényt, tudta a Römer Olaf-féle bizonyítékot a fény véges tovaterjedési sebességére nézve, ismerte Bartholinus nyomán a kettôs törést és a Grimaldi-féle fényelhajlási jelenségeket. Mindezeket abban faglalta össze, hagy a fény a hanghoz és a vízhullámhoz hasonlóan hullámmozgás, mely – minthogy a levegônélküli térben is tovaterjed – a világot betöltô legfinomabb anyagnak, az éternek – a görögök nevezték így az égi szférának anyagát – a hullámmozgása. Huygens éterforgalma ez idôtôl egészen napjainkig szerepelt a fizikában, s a fényelmélet tulajdonképen az “éter fizikája” volt.

Huygens nagy kortársa, Newton más nézôpontból indult el, s a hullámelmélettel szemben az emissziós elméletet állította fel. E szerint a fény apró fénytestecskékbôl áll, melyeket a fényforrás lövel ki magából, ezek pályái a fénysugarak.

Érdekes, hogy ez a hullámelmélettôl élesen eltérô felfogás ugyancsak alkalmas arra, hogy a fény alapvetô tulajdonságai közül többeket megmagyarázzon. Így a visszaverôdés törvényét, mely nyilván nem más, rnint a rugalmas golyók visszaverôdésének törvénye. Hasonlóan megmagyarázza mindkét elmélet a törés Snellius–Descartes-törvényét is, itt azonban lényeges különbség áll elô. Optikailag sûrûbb közegben a fény a beesési merôleges felé törik, s ezt a Huygens-féle hullámelmélet úgy magyarázza, hogy a sûrûbb közegben a fény terjedési sebessége kisebb. A Newton-féle emissziós elmélet szerint viszont törés úgy jön létre, hogy a sûrûbb közeg határfelületén vonzó erô lép fel, mely a fénytestecskéket gyorsítja, tehát sûrûbb közegben a fény terjedési sebessége nagyobb. A két felfogás között Newton idejében nem lehetett kísérletileg dönteni, s ennek tulajdonítható, hogy Newton nagy tudományos tekintélye az elkövetkezô 100 évben háttérbe szorította Huygens hullámelméletét. Fizeau kísérletei viszont a mult század közepén megmutatták, hogy sûrûbb közegekben a fény lassabban terjed, ezzel az akkor már egyre jobban roskadozó korpuszkuláris elméletet a tudomány végleg megcáfoltnak tekintette, s az akkori felfogás szerint egyeszer s mindenkorra elvetette. Késôbb visszatérünk erre, s látnti fagjuk, hogy bármilyen világosnak is látszott ez a következtetés, mégsem volt jogos, és hogy a tudománynak igen óvatosnak kell lennie, mielôtt valamit visszavonhatatlanul állít.

Ugyanígy nem voltak jogosak azok az egyéb ellenvetések sem a korpuszkuláris elmélettel szemben, melyek a közben eltelt idôben a hullámelmélet kizárólagosságát látszottak bizonyítani. Fôképen a híres Fresnel-féle interferencia-jelenségek azok, melyek az interferenciacsíkok tapasztalatai által azt mutatják, hogy a fényjelenségek össze vannak kapcsolva határozott térbeli periodicitással. Tekintettel a fény véges terjedési sebességére, a térbeli periodicitás idôbeli periodicitást is jelent a dolgok legegyszerûbb mérlegelése aIapján, más szóval a fény rezgési jelenség. Ez a Newton által is már sejtett periodicitás a fény színével áll egyszerû kapcsolatban (rezgésszám), s Fresnel zseniálisan olvasztotta össze a rezgési elméletet a Huygens-féle hullámelmélettel, kidolgozva így a mechanikai fényelméletet.

A Fresnel-féle mechanikai fényelmélet a fénynek elsô kerek egészet alkotó elmélete. Elvileg nagyon hasonlít a hangtanhoz: a fény a rugaImas éter periodikus hullámzása. A tovaterjedési sebességet az éter mechanikai sajátságai határozzák meg, melyek a különbözô közegekben mások, így a sebesség is különbözô. Lényegileg eltérô a hang jelensgeihez képest, hogy a fény polarizálható, amit az elmélet úgy vesz számba, hogy a fény a tovaterjedés irányához képest oldalirányú (transzverzális) rezgéseik formájában halad tova, míg a hanghullámok a levegô összenyomásából és tágulásából állanak (longitudinális rezgések). Oldalirányú rezgések csak a szilárd testeknél figyelhetôk meg, az éter tehát a fényjelenségeknél szilárd test módjára viselkedik. Ez ugyan ellentétben áll azzal a ténnyel, hogy az égitestek mozgásánál az éter nem tanúsít semmi ellenállást, viszont fölvethetô, hogy a nagyon gyors és nagyon kicsiny amplitudójú fényrezgések fizikája elüt a közönségesen tapasztalható rezgések mechanikájától.

Nagyobb nehézséget okozott a fény diszperziójának megmagyarázása. Különbözô színû fény ugyanabban a közegben különbözô sebességgel halad, tehát nyilván nem csupán az éternek van szerepe a fény terjedésében; hanem a közeg anyagi tulajdonságainak is. Az elmélet érezte, hogy a bajon a közegek molekuláris felfogása van hivatva segíteni, ennek keresztülvitele azonban már meghaladta a mechanikai fényelméIet kereteit.

A sok különbözô nehézséget egy csapásra megszûntette Maxwell elektromágneses fényelmélete. A mechanikai fényrezgések helyébe itt elektromos és mágneses erôterek Iépnek, mai nyelven kifejezve: a fényhullámok elektromos hullámok, melyeknek létét Maxwell elméletébôl megjósolta. A transzverzalitás nemcsak hogy nehézséget nem okoz, de egyenesen következik az elméletbôl. A diszperzió szintén egyszerû föltevéssel magyarázható, azzal, hogy a molekulák (atomok) belsejében elektromos töltések vannak, melyek a fény hatására mozgásba jönnek. Oly föltevések ezek, melyeket az atomi jelenségek egyre jobb megismerése egyre valószerûbbnek mutatott. Itt sikerült a fényemisszió elsô modellszerû elképzelése is. A fény kibocsátása lényegében azonos (ismét mai kifejezést használva) a rádióantennák kisugárzásával: az atom belsejében levô elektromos töltések (elektronok) rezgése a környezetben elektomos hullámokat hoz létre.

Visszatekintve a mult század végének elektromágneses fényelméletére, alig találunk a fizika történtében ennél kerkebb, zártabb és megnyugtatóbb elméletet. Minden akkor ismert fényjelenség elvi magyarázatot talált, a legtöbb kísérlet számszerûen is leírható volt. Az ember joggal hihette, hogy megfejtette a természetnek egyik nagy problémáját, megoldotta a fény titkát. Ami még hátra van, legfeljebb részletkérdés, de meglepetést már nem hozhat. A kopuszkuláris fényelmélet immár csupán történelmi ócskaság, érdekes példa arra, hogy az emberi megismerés milyen bukdácsolásokon keresztül jutott el az “igazság”-hoz.

Hogy az ember itt mennyire elszámította magát, azt az új század elsô néhány éve csattanósan mutatta meg. Az immár megismertnek hitt fény olyan új tulajdonságait tárta fel, melyekkel szemben nemcsak a lezártnak gondolt elektromágneses fénytan volt tehetetlen, hanem egész eddig kialakult emberi tudományos megismerésünk is.

Nem kevesebbrôl volt szó, mint arról, hogy az új jelenségek megismerése kapcsán vissza kell térni a korpuszkuláris fényelmélethez. Hogy lehet azonban oda visszatérni, mikor ellene annakidején annyira meggyôzô kísérleti "bizonyítékok" voltak?

A korpuszkuláris fényelmélethez való visszatérés Einstein merész gondolata volt 1905-ben. Einsteint e gondolatra Planck vizsgálatai vezették. Planck 1900-ban a fekete sugárzás vizsgálata közben állította fel kvantumfeltevését, mely szerint a fény emissziója e = hn energiakvantumokban történik. Csak ennek az újszerû feltevésnek segítségével tudta levezetni az általa elôbb felállított fekete sugárzási formulát. Planck maga nem vonta le elméletémek végsô következményeit, hanem azt inkább az elktromágneses fényelmélettel igyekezett összhangba hozni. Einstein azonban merészebb volt. A fekete sugárzás Planck-féle energia- és entrópia-formuláiból kiindulva meg tudta mutatni, hogy a sugárzás terét úgy foghatjuk fel, mint amelyben a fény energiája diszkrét energiakvantumokban van jelen, úgy, mint ahogy a gáz diszkrét atomokból áll. A Lenard-féle fényelektromos mérések eredményeibôl szintén sikerült meglátnia, hogy az elektronok a fény sugárzási terébôl mindig e = hn energiát nyernek, ami ugyancsak azt mutatja, hogy a fény diszkrét energiakvantumkból áll. E fénykvatumok a késôbbiek folyamán a foton elnevezést nyerték. Einstein e gondolataival tudatosan – bár a nehézségeket látva – korpuszkuláris fényelméletet állított fel.

Mik voltak ezek a nehézségek? Nyilván azok, melyek miatt a fizika a multban a Newton-féle korpuszkuláris elméletet elvetette: az említett Fizeau-féle kísérlet és az interferenciajelenségek. A gondos mérlegelés azonban a dolgokat más megvilágításba helyezi.

A Fizeau-féle kísérlettel szembeni ellentmondás viszonylag könnyen kiküszöbölhetô. Nem szabad elfelejtenünk, hogy Einstein nem egyszerûen Newton fényelméletét újította fel a klasszikus mechanika értelmében vett korpuszkulákkal. Einstein fotonja mindig c sebességgel terjed, mert hiszen a relativitáselmélet értelmében a c sebességgel mozgó korpuszkula okvetlen zérus nyugalmi tömeggel bír, és megfordítva. A foton sebessége tehát nem lehet kisebb c-nél, de természetesen nagyobb sem lehet a relativitáselmélet általános elveinél fogva.

A fénynek Fizeau-tól mért terjedési sebessége különbözô közegekben nem a foton tulajdonsága, s nem is a foton valódi sebessége, hanem bonyolult statisztikus jelenség eredménye, melyben a közeg atomjai vesznek részt. A diszperzió részletes matematikai elmélete a jelenségrôl számot tud adni.

Az igazi nehézséget a fény interferenciájának megmagyarázása okozta. Amikor a fény interferenciájáról beszélünk, akkor egyfelôl ide értjük a fény rezgéstermészetét, másfelôl hullámszerû tovaterjedését. Hogyan kapcsolhatók ezek össze a fotonnal, mint diszkrét korpuszkulával, melyben a fény energiája jelentkezik? Ez a kérdés a természetnek legnehezebb s legizgatóbb találós kérdése volt, melyet az új fizikai kutatásban az embernek feladott. Növelte a kérdés nehéz voltát, hogy – akarva, nem akarva – a kutatók az interferencia–foton ellentétet többé-kevésbbé alternatívaként fogták fel s olyan kísérleteket terveztek és végeztek, melyek a fénynek hol a foton, hol a hullám természetét akarták még jobban kiemelni – a másik rovására.

Nem elegendô itt a hely e kísérletek részletes ismertetésére, igyekezni fogok tehát elvi áttekintést adni róluk, hogy a fizikának errôl az egyik legizgalmasabb fejezetérôl képet nyerjünk.

A jól ismert Compton-effektus bebizonyította, hogy a foton nem csupán az energia szempontjából viselkedik úgy, mint részecske, hanem impulzusa is van, és hogy a fotonnak elektronnal való ütközése ugyanúgy írható le, mint a rugalmas golyók ütközése a mechanikában. A fotonelméletnek a fényelektromos jelenség mellett legjobb bizonyítéka, mellyel szemben a hullámelmélet tehetetlen.

A fotonelmélet igyekezett a hullámelmélettôl egyes olyan jelenségeket "elhódítani", melyek azelôtt éppen a hullámelmélet legszebb bizonyítékai közé számítottak. Ilyen a közismert Doppler-effektus, melyet Schrödingernek sikerült a fotonelmélet által megmagyaráznia. Ha a fotont mozgó atom emittálja, akkor a mechanika törvényei szerint más lesz a foton energiája, mint nyugvó atom esetén. Az energia megváltozása pedig frekvenciaváltozással jár. A pontos kiszámítás éppen a Doppler-effektus frekvenciaváltozását adja.

Fordítva: a hullámelmélet igyekezett a fényelektromos jelenséget úgy magyarázni, hogy a fényelektromos elektron a fénynek a hullámban folytonosan érkezô energiáját összegyûjti, kumulálja. Szélsô esetekre végzett számítások azonban megmutatták, hogy gyönge Röntgen-sugaraknál évekig tartó besugárzásra és kumulálásra volna szükség, míg a fényelektromos elektronkiváltás megindulhatna, holott a bekapcsolás után azonnal is kaptak elektronkiváltást. Ez azt mutatja, hogy kicsiny intenzítású fényben ugyan a fotonok az idôben ritkán jönnek, de az energia mindenképen összpontosítva van a fotonokban.

Einstein az energiának a fotonokban való összpontosítását a hullámtermészettel úgy próbálta összeegyeztetni, hogy bevezette a tûsugárzás fogalmát. A fényforrás maga körül nem gömbhullámot emittál, hanem a rezgés csupán vékony nyalábban, tûben terjed tova. A sugárzási tûk irányeloszlása az egyes egymásutáni emissziós folyamatokon át statisztikusan egyenletes, ami a gömbhullám látszátát adja.

Megcáfolják ezt az elgondolást Selényi Pál kísérletei (1911), melyek azt mutatják, hogy ugyanazon gömbhulámnak egymástól távol esô felületrészeirôl jövô és összetalálkozó fény is interferenciaképes, más szóval, hogy a fényforrásból egymással nagy szöget bezáró irányokban kijövô fénysugarakkal is hozhatunk létre interferenciát. Ezek a sugarak tehát koherensek, egyforma fázisúak, azaz egységes gömbhullámban tovahaladó sugárzás részei, ami ellentétben áll a tûsugárzással.

De ellentétben állanak a tûsugárzással az egyszerû interfererciakísérletek is. Lényegében minden interferencia-kísérlet (függetlenül a kiviteltôl, mint kettôs tükör, biprizma stb.) az 1. képen látható sémával jellemzhetô. A fény az S fényforrásból jön A és B kicsiny nyílásokra, s innen a fényelhajlás következtében egy-egy sugárkúp terül szét, melyeknek sugarai az "interferenciatérben" találkoznak. A sugarak útjába helyezett ernyôn interferenciacsíkok állanak elô. A és B így a kísérletben mint fényforrások szerepelnek, de mivel a fényt egyaránt S-bôl kapják, koherens fényforrások. Ha mármost S-bôl tûsugárzás indulna ki, akkor egy-egy fénykibocsátási aktusban (a fényforrás atomjainak nagy számánál fogva ezek igen rövid idôközökben sûrûn követik egymást) mindig vagy csupán A, vagy csupán B kapna megvilágítást, de nem egyszerre mindkettô, azaz A és B nem volnának koherensek, interferencia nem jöhetne létre. (A "sugártû" kiterjedését kicsinynek kell képzelnünk, úgyhogy az általában elégtelen volna az AB távolság átfogására.)

Lehetne még arra gondolni, hogy éppen a fénykibocsátási aktusok nagy száma miatt azok idôben fedik egymást, különösen S nagy fényerôssége esetén. Így meg volna a lehetôsége, hogy A-n és B-n egy-egy fénykvantum jön át egyidejûleg, ezek interferálnak. Eltekintve attól, hogy ezek nem koherensek (nem közös eredetûek), tehát interferenciát nem hozhatnak létre, a tapasztalat azt mutatja, hogy ha S-bôl oly kicsiny intenzitású fény jön, melynek fotonjai nagy idôközökben követik egymást, az interferencia-jelenség semmi változást nem mutat (Dempster és Batho, 1927.)

Az interferencia tehát nem több foton találkozása által jön létre, hanem az egyes fotonok tulajdonsága. ("A foton önmagával interferál.") Pl: egy optikai rácsra essék egyetelen fénykvantum, akkor ez az összes rácsvonalakon elhajlást szenved.

Kétségtelennak látszik az eddig felsorolt tapasztalatok alapján, hogy a fénynek kétféle tulajdonságával kell számolnunk:

a fény energiája hn kvantumokban, a fotonokban van összpontosítva, másfelôl

a fényjelenségben lényeges és elhatározó szerepe van a kiterjedt fényhullámnak.

Nem csodálkozhatunk, ha a kutatók e kétféle tulajdonságban ellentmondást láttak, melynek feloldása érdekében több igen szellemes kísérlet került kivitelre.

Vissza