Povijesni razvoj misli o svjetlosti

Tumačenje svjetlosti kakvo poznaje moderna fizika rezultat je stoljetnih napora fizičara i matematičara tijekom kojih su redom domišljane i obarane teorije mnogih istaknutih znanstvenika toga doba, ilustrativno podijeljenih u dva nepomirljivo suprotstavljena „svjetlonazorna tabora“.

Prva znanstvena razmatranja o prirodi svjetlosti potječu od nizozemskog fizičara Christiaana Huygensa (1629. – 1695.) 1678. godine i britanskog fizičara Isaaca Newtona 1704. godine (1643. – 1727.) Huygens opisuje širenje svjetlosti valnom (undulatornom) teorijom u svjetlonosnom (luminofereoznom) eteru. Eter se tada smatralo hipotetičkom tvari koja bi trebala ispunjavati svemir i služiti kao medij prostiranja svjetlosti. Nasuprot tom modelu, Newton je zastupao čestični (korpuskularni) model, smatrajući da je svjetlost roj čestica.

Prema čestičnoj teoriji svjetlosti, čestice svjetlosti izlijeću iz izvora i zatim silnom brzinom putuju kroz prozirna sredstva. Zbog velike brzine gibanja staze su pravci – zrake svjetlosti. Te se čestice na zrcalima odbijaju, a na prijelazu iz jednog sredstva u drugo njihov smjer gibanja naglo se mijenja, lomi. Upravo na tim opažanjima temelji se geometrijska optika i veliki dio suvremene računalne grafike.

S druge strane, postoji čitav niz optičkih pojava koje se ne mogu protumačiti takvim jednostavnim modelom. To su pojave difrakcije ili ogiba, interferencije i polarizacije svjetlosti. Prvi korak u razjašnjavanju takvih pojava načinio je Huygens objasnivši pojavu dvoloma u islandskom dvolomcu, kalcitu: CaCO3. Međutim, predodžba valova kakvu je on imao nije bila sasvim ispravna i stoga nije mogla objasniti pojavu koju je Newton vrlo detaljno opisao u svojoj knjizi Opticks, i izmjerio pomoću tzv. Newtonovih stakala. Tek kad je T. Young (1773. -1829.) usavršio valnu teoriju pretpostavkom da pobude u valu svjetlosti slijede jedna drugu u pravilnim razmacima, onako kako se na površini vode izmjenjuju brijeg i dol vala, mogla se protumačiti pojava na Newtonovim staklima i iz Newtonovih podataka o dimenzijama stakala odrediti valna duljina svijetlosti. „Začudo“, valovi svjetlosti izišli su sitniji i manji od tisućinke milimetra. Značajan napredak u odnosu na Huygensa postignut je i pretpostavkom da bi svjetlo moglo biti transverzalan, a ne longitudinalan val, što je u konačnici dovelo do jednostavnog objašnjenja polarizacije svjetlosti uočene kod kristala dvolomca.

Zanimljivo je primijeti kako primjena valne i čestične teorije na tumačenju empirijskog zakona loma svjetlosti daje različite rezultate za brzinu svjetlosti u sredstvu. Po čestičnoj teoriji brzina svjetlosti u sredstvu nužno mora biti veća od one u vakuumu, dok po valnoj mora biti manja. Koja je o tih teorija ispravno tumačila stvarnost moglo se riješiti jedino neposrednim mjerenjem brzine svjetlosti u vakuumu ili nekom prozirnom sredstvu. U doba Newtona i Huygensa takvo nešto nije bilo izvedivo. Naime, 1676. god. Ole Rømer (1644. – 1710.) izmjerio je brzinu svjetlosti astronomskom metodom (i pritom dobio rezultat za brzinu od 215 000 km/s), promatrajući pomrčine Jupiterova satelita. To mjerenje nije se moglo primijeniti na prozirna sredstva. Zbog toga se ispravnost jedne od teorija morala potvrditi na drugi način, tj. pokusima koji su karakteristični samo za valove.

Valnu teoriju svjetlosti potvrđuje primjerice, pojava ogiba, zbog koje svjetlost ipak može „obići ugao“. Takve je pojave opazio već i sam Leonardo da Vinci (1452. – 1519.), a neke su bile opisane u knjizi G. F. Grimaldija (1606. - 1680.) iz 1665. god. Međutim, tek su A. J. Fresnelovim (1788. – 1827.) matematičkim formulacijama svjetlosti ta opažanja mogla biti teoretski objašnjena. Upravo to je i učinio Fresnelov protivnik, i iznimno jak teoretičar Francuz S. D. Poisson (1781. – 1840.), zastupnik čestične teorije.

Naime, kad je francuski fizičar Fresnel 1800. godine branio svoju doktorsku disertaciju jedan od članova komisije bio je i Poisson koji je tom prilikom primijetio da bi se, ako su Fresnelove pretpostavke točne, morala u sredini sjene koju bi bacala svjetlošću obasjana kuglica malog promjera (cca. 2mm) pojaviti svjetla točkica. Budući da je to bilo smatrano besmislenim u to vrijeme, on je zaključio da je Fresnelova teza o valnoj prirodi svjetlosti netočna. Nedugo zatim, D. F. Arago (1786. - 1853.) izveo je pokus prema Poissonovoj zamisli i doista se u sredini kugline sjene jasno vidjela svijetla točka, točno onako kako je Poisson to i predvidio. Da ironija bude veća, svijetla točkica je dobila ime po onome koji je poricao njeno postojanje. Nakon toga je slijedio čitav niz potvrda teorije da se svjetlost uistinu „ponaša“ poput vala, među kojima je i glasoviti Youngov eksperimentalni dokaz interferencije svjetlosti iz 1803.

No, trebalo je čekati sve do 1850. kad je Francuz L. Foucault (1819. - 1868.), proveo precizna mjerenja brzine svjetlosti u vodi korištenjem rotirajućih zrcala i ustanovio da ona iznosi ¾ brzine svjetlosti u vakuumu. Time se konačno potvrdilo da valna teorija, za razliku od čestične, ispravno tumači fenomen svjetlosti.

No, ni valna teorija nije bila bez svojih nedostataka. To se prvenstveno odnosilo na pojam etera, koji je, kako su godine prolazile, postajao sve mističniji: morao je biti fluid kako bi mogao popuniti prostor, no istovremeno i više milijuna puta krući od čelika kako bi mogao podržavati visoke frekvencije svjetlosti, bez mase, potpuno proziran, bez učinka disperzije, nestlačiv, neprekinut i potpuno neviskozan.

U međuvremenu, 1845. britanski fizičar Michael Faraday (1791. – 1867.) je primijetio da se kut polarizacije svjetlosne zrake može mijenjati uslijed djelovanja magnetskog polja, što je danas poznato kao Faradayeva rotacija. To je bio prvi dokaz koji je upućivao na povezanost svjetlosti s elektromagnetizmom. Faraday je 1847. iznio tezu da je svjetlost visokofrekventna elektromagnetska vibracija koja se može prostirati duž medija u potpunoj odsutnosti nečeg što bi nalikovalo Eteru.

Faradayev je rad nadahnuo Jamesa Clarka Maxwella (1813. – 1879.) da detaljnije prouči povezanost elektromagnetskog zračenja i svjetlosti. Uspoređujući brzinu svjetlosti s otprije poznatom brzinom propagacije elektromagnetskih valova, on dolazi do zaključka da je svjetlost oblik elektromagnetskog zračenja. Međutim, konstantna brzina svjetlosti koju su predviđale Maxwellove jednadžbe stajala je u suprotnosti s mehaničkim zakonima gibanja, nepromijenjenih još od doba Galilea, a koji su tvrdili da su sve brzine relativne u odnosu na promatrača. Nužna posljedica takvog fenomena svjetlosti po Maxwellu bilo je postojanje isključivo jednog referentnog sustava kao apsolutne točke promatranja – naravno, bilo je riječ o eteru. Tražilo se da eter bude univerzalno nepomičan, inače bi brzina svjetlosti varirala od mjesta do mjesta. Po Maxwellu, takvo što ne bi trebalo predstavljati naročito veliki problem za dokazati. Naime, Zemlja kružeći oko Sunca stalno mijenja svoj smjer u odnosu na eter, te bi dugoročna promatranja brzine prostiranja svjetlosti trebala pokazati te varijacije. Nedugo zatim, uslijedio je čitav niz eksperimenata koji su nastojali potvrditi Maxwellovu hipotezu, od kojih je zacijelo najpoznatiji Michelson-Morleyev pokus, koji je unatoč silnim pripremama, na veliko razočarenje svojih provoditelja potpuno podbacio, ali ipak slavno, jer se i do danas smatra definitivnim dokazom da svjetlonosni eter ne postoji. Naravno, do takve dijametralne promjene znanstvenog stajališta o tom pitanju nije trenutno došlo, već tek nakon niza ponovljenih, promijenjenih, ali svejedno nepotvrdnih eksperimenata. Najznačajnije apologetsko nastojanje tog post-eksperimentalnog razdoblja bila je Lorentz-FitzGeraldova hipoteza kontrakcije koja je postulirala da svi objekti podliježu pod djelovanje etera. Po ovoj teoriji, razlog zašto je Michelson-Morleyev pokus podbacio bila je njegova kontrakcija u smjeru gibanja, tj. svjetlo se ponašalo upravo onako kako je teorija o eteru i predvidjela, no međutim isto je vrijedilo i za sam eksperiment, te je s time poništena bilo kakva razlika koja bi se pritom mogla izmjeriti. Čak i sam Lorentz nije bio naročito zadovoljan ovim tumačenjem, iako je na sasvim elegantan način razriješila sve dvojbe oko neuspjeha eksperimenta.

Međutim, A. Einsteinu (1879.-1955.) takvo „razrješenje“ problema nikako nije odgovaralo i početkom dvadesetog stoljeća svoje sumnje javno je obznanio u sklopu posebne teorije relativnosti.