Thomas Youngs teori om lyset

1. Indledning

I slutningen af 1700-tallet var der blandt fysikere en diskussion sted om hvad lys var for noget. Huygens og Euler havde argumenteret for, at lys er en bølgebevægelse, men i England var der gennem hele 1700-tallet, "Newtons Århundrede", en tro på Newtons teori om at lys er en strøm af partikler; og det til trods for at Newton selv var usikker. Den engelske fysiker Thomas Young offentliggjorde i 1804 en beskrivelse af et forsøg, der viste at lys er en bølgebevægelse.

Udgangspunktet for Youngs arbejde var at Young ikke troede på Newtons teori om at lys er en bevægelse af små partikler. I år 1800 skrev Young en artikel, der handler om lys og lyd. Young gjorde opmærksom på et svagt punkt i Newtons lysteori. Det lyder det meget usandsynligt at lyspartikler fra vidt forskellige lyskilder bevæger sig med samme hastighed. Og det forudsætter Newtons teori at de gør.

Huygens teori er meget generel. Huygens anvendte sin bølgeteori både på vandbølger og lydbølger Newtons teori forudsætter også, at der sker periodiske forvandlinger i en lysstråle, som gør det muligt, at en lysstråle, der rammer en overflade (af glas eller vand) kan blive både brudt og tilbagekastet. Hvis man antager at lys er en bølgebevægelse forklarer Huygens teori om brydning begge dele på en overbevisende måde. Der er link for oven til vores generelle omtale af bølgebevægelser.

2. Newtons teori om lysets natur

Tidligt i sin karriere opdagede Newton, at hvis man sendte sollys ind gennem et prisme, så spaltedes lyset i de farver, som man kan se i regnbuen. Blåt lys brydes mest, derefter følger grønt, gult og til sidst rødt. I Newtons allerførste artikel fra 1672 viste han eksperimentelt, at hvidt lys er sammensat af farvet lys. Dette er hans mest originale bidrag til lyslæren.

Med hensyn til diskussionen om at lys er en strøm af partikler, eller om lys er bølger, så forholdt Newton sig hele livet skeptisk til den teori, som kaldes "Newtons lysteori", men han var endnu mere skeptisk over for bølgeteorien. Kort fortalt bygger den teori, som kaldes "Newtons lysteori" på en antagelse om, at en lysstråle består af en række partikler.

Newton byggede så sin lysteori på en antagelse om at en stråle af hvidt lys består af en række af partikler med forskellige farver, f.eks. røde partikler, gule partikler grønne partikler og blå partikler. I det materiale, som vi har til rådighed, fortæller Newton ikke hvor mange forskellige partikler der findes, men han siger, at en lysstråle er en strøm små bitte partikler med forskellig størrelse. De mindste partikler giver violet lys, de lidt større giver blåt lys og sådan fortsætter det indtil de største partikler, der giver rødt lys. Det hvide sollys er en strøm af partikler af forskellige farver.

Newtons forklaring af brydningsloven bygger på, at lysets hastighed i vand er større end hastigheden i luft. Denne antagelse er forkert, men det kunne man ikke vide på Newtons tid.

Det er vigtigt at slå fast, at det er tydeligt, at Newton selv forholdt sig skeptisk til teorien om at lys er en strøm af partikler.

3. Youngs forsøg

Vi går nu over til at beskrive Youngs arbejde med lyset. Arbejdet foregik i et fuldstængig mørkt rum. Det eneste lys, der kom ind i rummet var en tynd lysstråle fra Solen. Den kom ind i rummet gennem et lille hul. På billedet til højre viser vi hvordan lysstrålen forløber. Principielt kan en lysstråle ikke ses fra siden, men den er tegnet her for at vise dens forløb. Lysstrålen kommer ind gennem hullet for oven til venstre, og lidt længere nede rammer den et spejl. Spejlets struktur er af afgørende betydning. Det består nederst af en plan spejlende metaloverflade, og oven på den ligger der en tynd glasplade, som er lige tyk over det hele. Lysstrålen der kommer ind fra hullet øverst til ventre deles undervejs i to dele: Den ene del reflekteres fra glasoverfladen, og den ender med at kunne ses på skærmen i punktet D øverst til højre.

Den anden del brydes i glasset og reflekteres nede fra metallet. Da glaspladen er meget tynd kan man indse at lyset igen sendes op til D. Det beviser vi nedenfor. Resultatet er, at alle partiklerne i solstrålen rammer skærmen i D. Newtons lysteori siger, at lys består en små partikler med forskellige farver. I hvidt lys fra Solen vil farverne være ligeligt fordelt. Hvis det var rigtigt, ville det betyde at den hele tiden løber en masse partikler med ligelig farvefordeling fra hullet til D. På billedet til venstre viser vi hvordan billedet på skærmen vil se ud, hvis Newton havde ret. Lys der går gennem vores lille hul, afbøjes en smule når det passerer hullets kanter. Derfor er der ikke en skarp grænse mellem hvidt og sort.

4. Fortolkning af forsøget

I det følgende får vi brug for "den omvendte brydningslov": den siger, at hvis en lysstråle går fra A til B, der ligger på en overflade, og derved brydes hen til et punkt C, så vil en lysstråle fra C til B brydes så den får retning mod A. Vi får også brug for tilbagekastningsloven. Den siger, at hvis lysstrålen AB tilbagekastes fra overfladen som BD, så danner BA og BD samme vinkel med den punkterede linje, der står vinkelret på overfladen i punktet B.

På billedet til højre er tc en lysstråle, der kommer fra det lille hul. Strålen rammer glassets overflade i c. Her bliver strålen både tilbagekastet og brudt. Strålen bliver tilbagekastet til d, hvor den rammer en lille hvid skærm, der er vinkelret på strålen. Vinklen mellem tc og dc er 2v, hvor v er den røde vinkel på figuren. Det følger af tibagekastningsloven. Den brudte stråle er cb, hvor b er et punkt af den spejlende metalplade under den grå glasplade. Lysstrålen fortsætter op til a på glaspladens overside, og den fortsætter i retningen as. Vi vil nu vise, at sa og tc er parallelle. De to vinkler xas og ycd er lige store. Det følger af brydningsloven. Så må komplementvinklerne z og v også være lige store. To komplementvinkler er to vinkler med sum 90° Heraf følger, at s og t danner samme vinkel med lodret; de er altså parallelle linjer. Af omvendte brudningslov følger nu , at en lysstråle, der starter i s vil gennemløbe linjestykkerne sabcd. Fra c til d løber der altså hele tiden to lysstråler, én der har løbet den korte vej tcd, og en anden, der har løbet den lidt længere vej sabcd.

Resultatet er at det kan ske at to lysstråler, der samtidig løber fra c til d, er forskudt et ulige antal halve bølgelængder i forhold til hinanden. De vil derfor udslukke hinanden, og konsekvensen vil være, at der er en eller flere farver, der ikke når frem til d. Det var Youngs formodning, at der løber så mange lysstråler fra c til d, at der på ethvert tidspunkt vil være nogle farver, der ikke når frem til d. Det lys, der når frem til d, vil altså aldrig være hvidt. Denne formodning blev bekræftet ved forsøget, hvor Young kunne se, at lyset på skærmen aldrig var hvidt.

Det der sker her, er at to sammenfaldende lysstråler lysstråler kan svække hinanden. Man siger , at der er interferens mellem strålerne.

Billederne på skærmen kunne være meget smukke. Billedet herunder viser et af dem.

5. Afslutning

Youngs arbejde afsluttede den strid mellem Huygens bølgeteori og Newtons partikelteori, en strid, der havde varet mere end 100 år. Men det er som nævnt vores indtryk, at Newton ikke selv var begejstret for sin partikelteori!

Hvis du støder på et ord, hvis betydning du ikke kender, så søg på ordet.