Trivium z optiky 17 3. Postavení optiky v systému přírodních věd, vývoj názorů na světlo Třetí kapitola našeho kurzu je úvodní kapitolou jeho druhé části, kterou věnujeme nauce o světle - optice. Jako taková před sebe klade dva hlavní úkoly. Ty jsou naplňovány ve dvou poměrně nezávislých odstavcích. Nejdříve se seznámíme s tím, co to vlastně optika je, jaký je předmět jejího studia, jakých využívá metod a jaké místo zaujímá mezi ostatními přírodními vědami. Poté přistoupíme ke stručnému historickému přehledu názorů na předmět studia optiky - světlo. Výklad v této části je sice zakončen stručnými poznámkami o nejnovějších teoriích světla, jeho vyvrcholením je však bezesporu část věnovaná Maxwellově teorii elektromagnetického pole. V klasické (nekvantové) fyzice reprezentuje totiž právě tato teorie nejpřesnější popis světelných jevů. Proto se Maxwellova teorie elektromagnetického pole stane naším základním pracovním nástrojem i ve všech následujících kapitolách. 3.1 Postavení optiky v systému přírodních věd. 3.1.1 Předmět a metoda optiky. 3.1.2 Podíl optiky na rozvoji ostatních přírodních věd. 3.1.3 Podíl optiky na fundamentálním poznání přírody. 3.2 Vývoj názorů na světlo. 3.2.1 Stručný přehled předvědeckého období. 3.2.2 Newtonova částicová a Huygensova vlnová teorie světla. 3.2.3 Vítězství vlnové teorie. 3.2.4 Maxwellova teorie elektromagnetického pole. 3.2.5 Einsteinova fotonová hypotéza. 3.2.6 Kvantová elektrodynamika. 3.1 Postavení optiky v systému přírodních věd 3.1.1 Předmět a metoda optiky. Optika se zabývá světelnými jevy, tedy takovými jevy, které vnímáme zrakem. Předmětem jejího studia je světlo - fyzikální objekt, který zrakové vjemy (ovšem nejen je) přenáší od zdroje k pozorovateli. 1 Hlavními objekty zájmu optiky jsou vyzařování světla látkou (zdroji), absorpce světla látkou, šíření světla průhlednými (neabsorbujícími) prostředími (látkou či vakuem), vznik zrakového vjemu v lidském oku (fyziologická optika). V našem kurzu, podobně jako i v ostatních úvodních kurzech optiky, se s naprostou převahou budeme zabývat pouze šířením světla průhlednými prostředími. Optika je vědou teoretickou i experimentální současně. Ke zkoumání světelných jevů a interakce světla s látkou využívá sofistikovaných experimentů, k jejich výkladu a interpretaci pak logicky konzistentních a zpravidla silně matematizovaných teorií. K testování těchto teorií jsou pak, podobně jako i v jiných oborech fyziky, prováděny další náročné experimenty. Základním teoretickým nástrojem optiky je Maxwellova teorie elektromagnetického pole a v současné době pak především kvantová elektrodynamika. 1 Tuto poněkud vágní formulaci a také odpověď na otázku, co je to světlo, budeme upřesňovat v dalších kapitolách.
18 Vývoj názorů na světlo 3.1.2 Podíl optiky na rozvoji ostatních přírodních věd. Zrak je bezesporu naším nejdůležitějším smyslem, jedním z nejdůležitějších prostředníků při poznávání okolního světa. 2 Proto i přístroje rozšiřující jeho (mnohdy omezené) možnosti sehrály v minulosti a sehrávají i dnes velmi významnou roli při rozvoji všech přírodních věd. Na optiku lze proto v jistém slova smyslu pohlížet jako na pomocníka ostatních přírodních věd. Služku ve smyslu poskytovatele služeb, bez nichž by se zcela jistě neobešly. Jako příklady velmi důležitých optických přístrojů využívaných ostatními vědami uveďme dalekohled, lupu, mikroskop nebo jen prosté brýle, bez nichž by mnohý badatel jen obtížně sepisoval výsledky svých bádání. Tímto ovšem výčet užitečných optických zařízení zdaleka nekončí. Tak např. spektrometry umožňují provádět bezkontaktní chemickou analýzu velmi vzdálených objektů (planet, hvězd, mezihvězdné hmoty ap.), z nichž odebrat vzorky je nemožné nebo jen velmi obtížné. V kombinaci s Dopplerovým jevem můžeme navíc spektroskopickými metodami měřit i rychlosti hvězd a galaxií (ale také např. rychlosti rotace či rychlosti konvektivních proudů na povrchu Slunce). Na druhé straně absorpce záření laserů látkou umožňuje získat netriviální informaci o molekulách a atomech. S jistou mírou nadsázky můžeme tedy říci, že bez pomoci optiky by se ostatní přírodní vědy jen velmi obtížně zbavovaly svých dětských střevíčků. 3.1.3 Podíl optiky na fundamentálním poznání přírody. Aby z toho, co jsme zatím uvedli v předcházejících poznámkách, nevznikl falešný dojem, že optika je pouhopouhým pomocníkem ostatních věd, musíme doplnit výčet jejích zásluh i o položky týkající se zcela fundamentálního zkoumání přírody. Za všechny uveďme dva příklady, vznik teorie relativity a kvantové teorie v prvních dvou desetiletích 20. století. Obě teorie se rozvinuly kolem zápletek, v nichž světlo bylo zcela jistě nejdůležitějším aktérem, a postupem času se staly pilíři moderní fyziky. Opět lze s trochou nadsázky říci, že moderní fyzika spočívá na základech položených právě optikou. Speciální teorie relativity je vybudována na dvou hlavních postulátech - Einsteinově principu relativity a na neměnnosti rychlosti světla ve vakuu. A právě druhý postulát byl formulován EIN- STEINEM (1905) na základě MICHELSONOVA a MORLEYOVA spektrometrického měření (1887) rychlosti Země vůči Newtonově absolutní souřadnicové soustavě éteru. I obecná teorie relativity si zadala se světlem. Jedním z důležitých testů této teorie bylo v roce 1919 Edingtonovo měření ohybu světla v gravitačním poli Slunce. Kvantová teorie (druhý nosný pilíř moderní fyziky) se zrodila z řešení celého komplexu problémů spojených se zářením dokonale černého tělesa (PLANCK, 1900), s chováním elektronů emitovaných z kovu při tzv. vnějším fotoelektrickém jevu (EINSTEIN, 1905) jakož i z neúspěchů klasické teorie při objasnění struktury čárových spekter atomů a molekul (první krok učinil roku 1913 N. BOHR). Nezbytná experimentální data opět poskytla optika. 3.2 Vývoj názorů na světlo. 3.2.1 Předvědecké období. Do předvědeckého zahrnujeme období před vznikem západní analytické vědy v 17. a 18. století. Tehdy se teprve vynořuje, často velmi bolestně, moderní, systematický a zejména experimentální přístup k řešeným problémům. Dosažené výsledky jsou roztříštěné a zdánlivě navzájem nesouvisející, závěry často spekulativní. Uveďme pro ilustraci jen nejdůležitější z nich. 2 Tím druhým důležitým prostředkem poznání je zcela jistě naše nadání rozumem.
Trivium z optiky 19 přímočaré šíření světla, odraz na zrcadlech (EUKLEIDÉS, 365-300 př. n. l.), odraz na zrcadlech (ARCHIMÉDÉS, 287-212 př. n. l., uplatnění ve vojenství při obléhání Syrakus římským vojskem), lom světla (PTOLEMAIOS, 90-160 n. l.), camera obscura (10. stol.) zrcadla, čočky, soustavy čoček (Arabové, Číňané), brýle (1285), camera obscura opatřena čočkou (G. PORTA, 1534-1615), dalekohled (1608-1610, Z. JANSEN, J. MECIUS, H. LIPPERSHEY) astronomický dalekohled (1611, J. KEPPLER), zákon lomu (W. VAN R. SNELLIUS, 1591-1626, R. DESCARTES, 1596-1650), Fermatův princip (P. FERMAT, 1601-1665), ohyb světla (F. M. GRIMALDI, 1618-1663), měření rychlosti světla (G. GALILEI, 1564-1642, O. RÖMER, 1644-1710), dvojlom (1669, BARTOLINUS), disperze (1648, JOHANNES MARCUS MARCI; 1672, I. NEWTON). 3.2.2 Newtonova částicová a Huygensova vlnová teorie světla. Na přelomu 17. a 18. století formulovali sir ISAAC NEWTON (1643-1727) a CHRISTIAAN HUY- GENS (1629-1695) konkurenční teorie o povaze světla. Zatímco Newton pohlížel na světlo jako na proud bodových částic, 3 Huygens považoval světlo za podélné vlnění speciálního prostředí vyplňujícího celý prostor (éter). 4 Newtonovu teorii proto nazýváme korpuskulární (též emanační ), Huygensovu vlnovou (undulační ). Zejména díky většímu věhlasu Newtonovu se na dalších sto let ujala vlády teorie korpuskulární, ač vlnovou teorii podporovali takoví velikáni vědy jako R. HOOKE (1635-1703) a M. V. LOMONOSOV (1711-1765). 3.2.3 Vítězství vlnové teorie. Nakonec se ale přece jen ukázalo, že Huygensovy představy jsou bližší skutečnosti. Přesněji řečeno, na rozdíl od Newtonovy teorie umožnily vysvětlit i výsledky nových experimentů provedených na přelomu 18. a 19. století, v nichž byla pozorována interference světelných paprsků a ohyb světla. Vítězství vlnové teorie světla je spojeno zejména se jmény T. YOUNG (1773-1829), A. J. FRESNEL (1788-1827) a J. FRAUNHOFER (1787-1826). V téže době (1808) zjistil Francouz E. MALUS (1775-1812), že světlo ve vakuu je vždy příčné vlnění. Zjištění to bylo poněkud znepokojivé. Fyzikové totiž považovali až do vzniku Maxwellovy teorie světlo za vlnění éteru, speciálního elastického prostředí zaplňujícího celý vesmír. A vlnění v elastických prostředí může být, to bylo dobře známo, jak podélné tak i příčné. A navíc, pokud příčné vlnění dopadá na rozhraní dvou elastických prostředí, odráží od tohoto rozhraní příčná i podélná složka. To ovšem pro světlo pozorováno nebylo. 3.2.4 Maxwellova teorie elektromagnetického pole. Přelom v nazírání na světlo přinesl rok 1873. V tomto roce publikoval anglický fyzik J. C. MA- XWELL (1831-1879) knihu The Treatise on Electricity and Magnetism, v níž shrnul svou jednotnou teorii elektrických a magnetických jevů. Vznikla teorie elektromagnetického pole. Význam této teorie samotné byl a zůstává monumentální, neboť šlo o další velký krok učiněný směrem k formulaci univerzálně platné fyzikální teorie. 5 Pro nás je však v tuto chvíli důležitější, že Maxwell 3 Formulováno v definitivní verzi v roce 1704 v knize Treatise on Optics. 4 Formulováno v definitivní verzi v roce 1690. 5 Fyzikové věří, že všechny jevy ve vesmíru je možno pospat pomocí jediné univerzální teorie a že všechny dílčí teorie, které zatím byly formulovány, jsou jen jejími speciálními verzemi. Proto byl vždy kladen důraz na sjednocování dílčích poznatků do stále obecnějších teoretických schémat. První krok v tomto směru učinil pravděpodobně
20 Vývoj názorů na světlo zahrnul do svého popisu elektromagnetizmu i optiku. Zjistil totiž, že jeho rovnice pro elektromagnetické pole je možno převést na rovnice vlnové, a správně usoudil, že se elektromagnetické vzruchy mohou proto šířit prostorem jako vlnění - vlnění elektromagnetické. 6 O tomto vlnění navíc Maxwell zjistil dvě důležitá fakta, a to že jeho rychlost ve vakuu je totožná s rychlostí světla ve vakuu, ve vakuu je elektromagnetické vlnění vždy příčné. Z toho usoudil, že světlo je speciálním typem elektromagnetických vln. Přesněji, elektromagnetických vln vybraných vlnových délek. 7 Maxwellova elektromagnetická teorie světla se ujala a v následujících létech a desetiletích se ukázala být teorií, která velmi přesně reprodukuje dostupná experimentální data. Pouze na atomární a subatomární úrovni musela být upřesněna kvantovou elektrodynamikou, jejímž je nekvantovým přiblížením. Spektrum elektromagnetického vlnění V zařazení světla do obecné klasifikace elektromagnetických vln nám má napomoci následující tabulka, v níž jsou vlněním různých vlnových délek (ve vakuu) přiřazena obvykle používaná označení. 8 označení vlnová délka frekvence [Hz] rádiové vlny - dlouhé km, desítky km 10 4 10 5 - střední stovky m 10 6 - krátké desítky m 10 7 - velmi krátké m, dm 10 9-10 10 Mikrovlny cm, mm 10 10-10 11 infračervené záření 700-1000 nm 10 14 (viditelné) světlo 400-700 nm 10 14 10 15 ultrafialové záření 50-400 nm 10 15 10 16 RTG záření 9 - měkké 0,1-20 nm 10 16-10 18 - tvrdé 10-3 -0,1 nm 10 18-10 20 γ - záření 10 <10-3 -10-2 nm > 10 19-10 20 3.2.5 Einsteinova fotonová hypotéza. Jedním z problémů, při jehož řešení Maxwellova teorie elektromagnetického pole neuspěla, bylo podivné chování elektronů při emisi z kovů při jejich ozáření světlem. Vyřešit tento problém se podařilo až A. EINSTEINOVI (1879-1955) poté, co vyslovil hypotézu (1905), že se elektromagnetické záření šíří prostorem po kvantech 11 a za jistých okolností (které nastávají např. při foto- Newton, který svou teorií gravitace a mechanikou hmotných těles sjednotil fyziku pozemskou a nebeskou. Dalším, snad ještě fundamentálnějším krokem byla formulace teorie elektromagnetického pole, v níž se podařilo sjednotit popis elektrických a magnetických jevů (a jak uvidíme dále, zahrnout též do tohoto již tak dostatečně obecného schématu i optiku). Maxwellova teorie byla tak prvním krokem na cestě k vytvoření jednotné teorie fyzikálních interakcí. 6 Existenci elektromagnetických vln prokázal experimentálně roku 1887 německý fyzik H. HERTZ (1857-1894). 7 Světlo je elektromagnetické vlnění vnímané lidským okem. Jeho vlnové délky jsou zhruba rovny 400-700 nm. 8 Uvedené vlnové délky jsou jen orientační a v literatuře nejednotné. V různých knihách můžete nalézt mírně odlišné hodnoty. Rovněž frekvence jsou uvedeny pouze s řádovou přesností. 9 Např. brzdné elektromagnetické záření emitované při dopadu elektronů o kinetické energii kev až desítek kev na anodu. 10 Elektromagnetické záření vznikající při jaderných a subjaderných procesech. 11 Kvanta elektromagnetického pole zavedl do fyziky roku 1900 M. PLANCK (1858-1947) během řešení jiného problému, s nímž si klasická Maxwellova teorie nevěděla rady - problému záření dokonale černého tělesa. Einstein
Trivium z optiky 21 efektu) se chová jako proud částic. Tyto částice byly později nazvány fotony a pro Einsteinovo zavedení fotonů do fyziky se vžilo pojmenování fotonová hypotéza. Einsteinova fotonová hypotéza vypadá na první pohled jako návrat k částicové teorii Newtonově. Ovšem jen na první pohled. Ani Einstein nemohl přehlédnout obrovské množství experimentálních důkazů hovořících ve prospěch vlnové teorie světla. Na druhé straně však v některých experimentech vlnová teorie selhávala (např. fotoelektrický jev). Fyzikové se proto museli smířit s tzv. částicově - vlnovou dualitou světla a elektromagnetického záření obecně. Podle této představy světlo není ani pouze vlnění, ani pouze proud částic, ale obojí. Přesněji, za jistých okolností se projevuje jako vlnění, za jiných jako proud částic. 12 3.2.6 Kvantová elektrodynamika. Soužití Einsteinovy fotonové představy a Maxwellovy teorie elektromagnetického pole bylo od samotného počátku bráno jako provizorium. Šlo totiž zcela proti duchu sjednocování fyzikálních teorií. Pro elektromagnetické jevy máme v tuto chvíli dvě vzájemně se vylučující teorie. Překonání tohoto provizoria spadá zhruba do 30. a 40. let 20. století, kdy byla formulovaná kvantová teorie elektromagnetického pole - kvantová elektrodynamika. Její vznik je spojen se jmény P. DIRAKA (1902-1984), W. PAULIHO (1900-1958), R. FEYNMANA (1918-1988), J. SCHWINGERA (1918-1994), Š. TOMONAGY (1908-1979) a mnoha dalších. 13 Z této teorie vyplývá kromě jiného i částicově - vlnová dualita teorie elektromagnetického pole. V současné době se jedná o nejpřesnější teorii elektromagnetického pole (světla), jejíž předpovědi souhlasí se všemi zatím provedenými experimenty až s obdivuhodnou přesností. jeho ideu rozvinul. Dodejme ještě, že Planckovy a Einsteinovy představy o kvantování elektromagnetického pole stály u zrodu kvantové fyziky, jednoho ze základů moderní fyziky (viz též výše odstavec 3.1). 12 Částicově - vlnová dualita elektromagnetického záření byla později (1923) rozšířena francouzským fyzikem L. DE BROGLIEM (1892-1987) i na ostatní tělesa ve vesmíru. 13 Kvantová elektrodynamika byla dále zobecněna v létech 1967-1968 S. WEINBERGEM (1933), S. GLASHOWEM (1932) a A. SALAMEM (1926-1996). Toto zobecnění sjednotilo elektromagnetické jevy s jevy, za něž je zodpovědná slabá interakce. Obvykle se pro toto zobecnění používá označení teorie elektroslabých interakcí.