HU  |   RO  

Korunk 1927 Május

Fényelméletek harca


Orest D. Chwolson

 


Jelenleg az elméleti fizika történetének igen érdekes és egyuttal igen különleges szakaszát éljük át. A fény két elméletének harca jellemzi ezt az időszakot, egy különös jellegű harc, amelyhez hasonlót az egész fizika történelmében nem láttunk, sőt azt mondhatjuk, hogy az összes többi tudományok története sem mutat föl elméleteknek hasonló küzdelmét. Ugy hogy egy egészen új jelenséggel van itten dolgunk, egy még soha be nem következett tudományos konstellációval. S remélnünk kell, hogy ez a szerencsétlennek mondható helyzet nemcsak megoldást fog találni, hanem ismétlődni sem fog, s mintegy különös, egyedül álló jelenség fog fönnmaradni a fizika történelmében.


Ugy a fizikának, mint a többi tudományoknak története azt mutatja, hogy egy ténycsoport magyarázatára fölállított elméletek csak kivételképen maradnak érvényben hosszú ideig, vagy épen örökké. Ilyen kivételesen hosszú életü elméletek a Kopernikus rendszere és a molekuláris-kinétikai hipotézis. A legtöbb esetben azt látjuk, hogy egy új alapfeltevés pályafutása kb. így alakul: többé-kevésbé általános elismeréssel kezdi, amit további kifejlődésének és virágzásának ideje követ. Aztán lassanként elkezdődik hanyatlása: ellenmondókra talál s mellette előáll egy új, gyakran tökéletesen más föltevés. Elkezdődik egy gyakran hosszantartó, heves küzdelem a két elmélet között. E küzdelemnek lefolyása mindig hasonló. A még uralkodó, de már megingatott elmélet megmagyarázza egy összefüggő ténycsoport legnagyobb részét, bár ezt nem tudja bizonyos póthipotézisek nélkül elérni s mindig maradnak a csoporthoz tartozó egyes tények, amelyek csak igen nagy nehézségekkel vagy egyáltalában nem szoríthatók bele az elmélet keretei közé. Az elmélet kezd megingani, amikor olyan tényeket fedeznek föl, amelyek minden kétséget kizárólag ugyanazon csoporthoz tartoznak, amelyeket azonban az elmélet vagy egyáltalában képtelen megmagyarázni, vagy csak új pótfeltevések segítségével, amelyek mindig ad hoc alkalmaztatván, folytonosan növekednek számban. A leggyorsabban elveszti azonban egy feltevés a kutató bizalmát, ha olyan tényeket fedeznek fel, amelyek a feltevés jóslásainak ellentmondanak. Ilyen esetben új feltevést állítanak föl, amelyre egy új elméletet építenek. Természetes, hogy az új elméletnek mindazokat a tényeket, amelyeket a régi elmélet megmagyarázott, épen olyan jól magyaráznia kell, mint emennek. E nélkül az új elmélet nem nyerheti meg a kutató bizalmát és a tudomány szempontjából értéktelen. Ha azonban az új elmélet e föltételnek eleget tesz, megkezdődik a két elmélet harca. Mikor tekinthető ez a harc bevégzettnek? Mikor foglalja el az új elmélet a régi helyét? Először, ha az új elméletben a tények egyszerübb és világosabb magyarázatot nyernek, mint a régiben; másodszor, ha az új elméletnek kevesebb pótfeltevésre van szüksége; harmadszor, ha az új elmélet azokat a tényeket is megmagyarázza, amelyeket a régi megoldatlanul hagyott; negyedszer, ha az új elmélet olyan új tényeket tud megjósolni, amelyek kísérletileg igazolást nyernek, s amelyek a régi elmélet szerint érthetetlenek. Néha az elhatározó momentum oly formában jelentkezik, hogy a két elmélet egy és ugyanazon folyamatra vonatkozólag kvalitative vagy kvantitative különböző vagy egymással ellentmondó jövendölést tesz és a kísérlet az új elméletnek ad igazat. Ily esetben a régi elmélet sorsa meg van pecsételve és ezentul csak történelmi érdeklődésre tarthat számot. Az alapját képező feltevés semmi esetre sem felel meg az igazságnak. A két elmélet közötti harc fő jellemvonása, hogy a két elmélet körülbelül egyforma eredménnyel megmagyarázni képes egy ténycsoport nagy vagy legnagyobb részét. De akármilyen arányban álljon is a két elmélet ténymagyarázó képessége, mindkét elmélet lényegileg ugyanazon ténycsoportra vonatkozik.


Ime két elmélet küzdelmének általános lefolyása. Természetes, hogy különböző változatok lehetségesek. Megtörténhetik, hogy a két elmélet egyidejüleg áll elő, hogy az egyik valamilyen okból azonnal felülkerekedik, egy ideig uralkodik s csak később szorúl háttérbe egy másik elmélet előtérbenyomulása által.


Jelenleg azonban két elmélet olyan harcának vagyunk szemtanui, amely a fönti jellemzésnek a legkirivóbban ellentmond s amelynek az egész fizika történetében nem találjuk párját. A fény két elméletének vagy helyesebben a sugárzó energia két eméletének harca ez.


Newton elmélete abból a föltevésből indult ki, hogy a sugárzó, helyesebben a fénylő testek fényrészecskéket bocsájtanak ki magukból. A különböző sugarak e részecskék tömegei által különböznek egymástól, ahol is a vörös sugaraknak a legnagyobb, az ibolyaszínü sugaraknak a legkisebb tömegek felelnek meg. Körülbelül a Newtonéval egyidejüleg keletkezett a Huyghen-féle fényelmélet, amely szerint a fény hullámmozgás, mely a ruganyos éterben terjed tova. A 19-ik század elején kezdődik a két elmélet harca, amely a legpontosabban a fönt megrajzolt séma szerint folyt le, s amely Foucault fénysebesség mérése által végérvényesen befejezést nyert. De már sokkal régebben Fresnel és más nagy fizikusok felfedezései által a fény hullámelmélete nagy előnyt nyert Newton elmélete felett. Körülbelül 1860. körül keletkezett Maxwell elektromágneses fényelmélete. A harc itt is a szokott séma szerint folyt le s rövid idő mulva Hertz elektromos sugarainak fölfedezése által befejezést is nyert az elektromágneses fényemélet javára. A jelenleg szóbanforgó problémára nézve azonban az átmenet a Huyghen-Fresnel elmélettől a Maxwell-Hertz elmélethez nem bír jelentőséggel, mivel mindkettő hullámmozgással magyarázza a fényt, azzal a különbséggel, hogy az első étherrészecskék tisztán mechanikus, ruganyos rezgésével, míg a másik elektromágneses rezgéssel. Röviden mind a kettőt a fény hullámelméletének nevezhetjük.


Ez a hullámelmélet olyan nagyszabásúan fejlődött, hogy valósággal a fizikai elméletek ideáljának lehet tekinteni. Teljes magyarázatát nyujtotta számtalan jelenségnek, amelyet a fény terjedésénél megfigyeltünk. Kezdve a legegyszerübbektől, mint a fényvisszaverés, fénytörés, interferencia, difrakció, polarizáció, egészen a legbonyolultabbakig, amelyeket a kristályokban figyeltek meg. Minden esetre szüksége volt azonban néhány pótföltevésre. S fényes, valósággal a Neptun felfedezésére emlékeztető nagy diadalát ülte, amikor előre elméletileg megmondta a kónikus refrakció különleges jelenségét a kéttengelyü kristályokban.


Igy állott a hullámhipotézis ugyszólván dicsőségének zenitén, amikor 1900 december 14-ikén M. Planck a berlini fizikai társaság ülésén először kifejezést adott a következő gondolatnak: a fény kisugárzása és elnyelése, amely az atomokban megy végbe, nem folytonos folyamban, hanem ugrásszerüen, egyes energia porciókban történik. S e gondolat rövid idő alatt óriási jelentőségre emelkedett a modern fizikában. Az energia-porciót Planck kvantum-nak nevezte; a fény kisugárzása és elnyelése kvantumokban történik. Egy atom csak egy egész számmal kifejezhető mennyiségét tartalmazhatja a kvantumoknak, amelyeknek nagysága a kibocsájtott vagy elnyelt sugarak fajtájától függ, arányos azzal a nagysággal, amelyet a hullámelmélet frekvenciának (az egy másodperc alatt lefolyó rezgések száma) nevez. A látható sugarak közül tehát a vörös sugarak a legkisebb, az ibolya sugarak a legnagyobb porciókban, illetőleg kvantumokban bocsájtatnak ki, illetőleg nyeleinek el.


Az új elmélet, a fény kvantumelmélete 1905-ben nyert megformulázást, amikor A. Einstein a következő egyszerü gondolatmenetet fejtette ki. A fénylő test atómjai a fényt egyes energiaporciókban, vagy kvantumokban bocsájtják ki. Egy másik test atómjai a hozzáérkező energiafolyamot hasonlóképen nem folytonosan, hanem egyes kvantumokban nyelik el. A fénysugár mindkét végén tehát egyedül és kizárólag kvantumokkal van dolgunk. De mi történik a két, fényt kibocsájtó és a fényt elnyelő test között, amelyeknek távolsága sokszor fényévek ezreit teszi ki ? Erre a kérdésre a hullámelmélet tudományosan ideális, abszolut kielégítő választ ad: az egyik testtől a másik testig egy hullámmozgás terjed át, amely azt a számtalan, különböző fényjelenséget, amely a két test között észlelhető, csodálatraméltóan tökéletesen megmagyarázza. Érthetetlen marad azonban, hogy miképen áll elő a test által kibocsájtott energiakvantumokból egy széles fronton előretörő hullámmozgás és hogyan változik ez ismét át a fényt elnyelő testnél kvantumokba. Nem volna egyszerübb azt föltenni, hogy nemcsak a sugár két végén vannak kvantumok, hanem hogy az egész sugár széttagolt energia kvantumok áramából áll? Erre a gondolatmenetre támaszkodva épült föl a fény kvantumelmélete. Ez részben visszatérést jelent Newton elméletéhez, mégis, többek között, azzal a különbséggel is, hogy mig a Newton elméletében a látható sugarak között a vörös sugarak, addig a kvantumelméletben az ibolyaszinü sugarak azok, amelyeknek „legnagyobb” fényrészecskéik vannak, amikor is Newtonnál tömegről, a kvantumelméletben a részecskék energiájáról van szó. Az új elmélet fénykvantumokról beszél, a fénysugár egy energiaáramlás, amely tagolt fénykvantumokból áll.


Ugyanazon fajta sugarak, mint ismeretes, igen különböző intenzitással bírhatnak. A hullámelmélet szerint a fénysugár intenzitása a rezgés amplitudójával növekedik; arányos ennek négyzetével. A kvantumelmélet szerint a fényintenzitás arányos a fénykvantum áramlás sürüségével, vagyis arányos a fénykvantumok számával, amelyek egy térfogategységben találhatók.


Van még a jelenségeknek egy egész jelentékeny száma az egyszerü abszorptió mellett, amelyek akkor állanak elő, amikor fénysugarak érik egy test atomjait. Egy részük már régen ismeretes volt, másokat ujabban fedeztek föl. Ezekhez tartoznak elsősorban a fotoelektricitás jelenségei, és a Compton-Effektus. Az előbbiekhez tartoznak a fluorescencia, a foszforeszcencia és a fotokemiai reakciók.


A következő tény előtt állunk tehát. Az összes fényjelenségek két csoportba oszthatók, amelyeknek nagyobbik fele a fény terjedésénél vagyis a fénynek két test között megtett utján figyelhetők meg, mig a kisebbik csoport a fénysugár két végén, vagyis a fényt kibocsájtó és fényt elnyelő testek atomjaiban. Láttuk, hogy a hullámelmélet az első csoport jelenségeit szinte ideális tökéletességgel magyarázza meg. Minél mélyebbre hatoltunk azonban a másik csoport jelenségeinek tanulmányozásába, annál világosabbá vált, hogy a hullámelmélet teljesen tehetetlenül áll ezen csoport tényeivel szemben s nemcsak tökéletesen képtelen ezeket megmagyarázni, hanem igen sok esetben épen az ellenkezőjének kellene történni szerinte, mint ami tényleg megfigyeléseink szerint történik. Ezzel szemben Einstein megmutatta, hogy a második csoport jelenségei meglepő egyszerü módon megmagyarázhatók, ha a fény kvantumelméletéből indulunk ki, vagyis ha fölvesszük, hogy a fényt elnyelő testet tagolt fénykvantumok árama találja. Viszont minden további nélkül világos, hogy a kvantumelmélet pedig az első csoport jelenségeivel szemben áll tökéletesen tehetetlenül, hogy tagolt fényrészecskék árama nem képes megmagyarázni az interferencia, vagy a polarizáció jelenségeit. Egy egyszerü példa világossá teszi a dolgot. Ha fénysugarak esnek egy test felületére, megtörténik, hogy e testből elektronok röpülnek ki. Ezt a jelenséget fotoelektricitásnak nevezik. Nyilvánvaló, hogy itt a sugárzó energia egyrészt az elektronok kiszakitásának munkájára lesz fölhasználva, másrészt pedig az elektronok mozgásenergiájába változik át. A fotoelektrikus jelenségeknek három törvényét ismerjük.


Az első, hogy a fotoelektrikus jelenségeket a legtöbb testnél csak ultraviola és Röntgensugarak idéznek elő. A legintenzívebb vörös sugaraknak sincs fotoelektrikus hatásuk, mig ezzel szemben a leggyengébb ultraviola sugarak képesek fotoelektronokat produkálni. Teljesen lehetetlen ezt a tényt a hullámelmélet alapján bármiképen is megmagyarázni. Ellenben nagyon egyszerü a dolog, ha a kvantumelméletből indulunk ki. E szerint ugyanis tagolt kvantumok röpülnek, amelyek mindegyikének van bizonyos energia készlete, melynek nagysága a sugár fajtájától függ. Ha egy ilyen kvantum megfelelő módon eltalálja a test atómját, úgy ki tud szakítani egy elektront az atómból és mozgásba tudja azt hozni, ha energia készlete elégséges ezt a munkát végrehajtani. Ha energiakészlete azonban kisebb, mint amennyi e munkához szükséges, az illető kvantum nem tud fotoelektrikus hatást előidézni. Nos, az intenzív vörös sugarakat igen kicsiny kvantumok sürű árama képezi, amelyek közül mindegyik túl gyenge ahhoz, hogy az elektron-kiszakítás munkáját végrehajtsa. A vörös sugár tehát képtelen fotoelektricitást előidézni. Az igen gyenge ultraviola vagy Röntgensugarak ezzel szemben, bár kevésszámu kvantumból állanak, mégis minden egyes kvantumuknak van annyi energia készlete, amely elégséges egy elektron kiszakítására. Tehát a leggyengébb ultraviola sugár képes előidézni fotoelektrikus hatást.


Ha a fotohatékony sugarak intenzitása nő, ugy nő a fotoelektronok száma is, azonban sebessége azaz mozgásenergiája változatlan marad. Ez a fotoelektricitás második törvénye. A hullámelmélet szerint az volna természetes, hogy az elektronok mozgásenergiája növekedjék, ha a sugárzó energia intenzitása nagyobb lesz. A kvantumelmélet szerint az elektron mozgás-energiája attól függ, hogy mennyi fölöslege marad az elektront-kiszakító kvantumnak, miután e kiszakítás munkáját elvégezte. Ha a sugárzás intenzitása nő, az azt jelenti, hogy a kvantumok száma uő, tehát nagyobb lesz a kiszakított elektronok száma is, de sebességük ugyanaz marad, minthogy minden egyes kvantumnak ugyanaz az energiakészlete, tehát ugyanannyi energia fölöslege marad, amelyet mint mozgásenergiát a kiszakított elektronnak átadhat.


A fotoelektricitás harmadik törvénye, hogy a fotoelektronok sebessége annál nagyobb, minél inkább messzebb megyünk a fényspektrumban a látható sugaraktól a Röntgen sugarak felé. A hullámelmélet teljesen tanácstalanul áll e törvényszerüséggel szemben. A kvantumelmélet szempontjából viszont ez a törvény magától értetődő: minél nagyobb az egyes kvantumok energiakészlete, (s a láthatatlan sugarak felé haladva a kvantumok energiakészlete fokozatosan növekszik) annál nagyobb az az energia fölösleg, amely a fotoelektronok mozgásenergiája számára fönnmarad.


Ez az egy példa eléggé megvilágítja a két elmélet kölcsönös helyzetét. Ezenkívül azonban számtalan jelenség van még, amelyet a hullámelmélet képtelen megmagyarázni, s amelyek ezen elméletnek egyenesen ellentmondanak, míg ezzel szemben a kvantumelmélet szerint egészen természetesek.*


A következő szokatlan helyzet előtt állunk tehát: a fényjelenségek, helyesebben a sugárzó energia jelenségeinek összessége két csoportba osztható, amelyek közül az elsőt csak a hullámelmélet, a másodikat pedig csak a kvantumelmélet tudja megmagyarázni. S ugyanakkor nyilvánvaló, hogy a két elmélet egymásmelleit nem állhat meg, mert hiszen legbelső lényegük szerint annyira különbözők, amennyire két elmélet csak különböző lehet. Mert hiszen a fény vagy tovaterjedő hullámmozgás, vagy pedig tagolt kvantumok áramlása. Harcnak kell tehát előállani a két elmélet között. Ez a harc azonban egy különleges harc, amely nem azon általános séma szerint folyik le, amelyet a cikk elején megrajzoltunk. Egy egészen ujszerű jelenséggel van tehát itt dolgunk, amely a legnagyobb érdeklődést, de egyuttal csodálkozást és csalódást is kell hogy kiváltson bennünk. Két teljesen különböző feltevésünk, két különböző elméletünk van két különböző jelenségcsoportról, amelyek azonban egymással oly szoros rokonságban, oly szoros kapcsolatban vannak, hogy lehetetlen magyarázatukat két egymástól teljesen különböző feltevésen építeni föl.


Különleges harc, mert a két harcosfél egyáltalában nem mérheti össze erejét, mivelhogy egyáltalában nincs közös talajuk. Két különböző épületben ülnek, amelyet egy áthidalhatatlan szakadék választ el.


Hogy miképen fog e különleges harc végződni? Előző példánk nincs, ennélfogva csak találgathatunk és különböző lehetőségekre mutathatunk rá. Megtörténhetik, hogy az egyik elmélet lépésről-lépésre meghódítja a másik területét. Néhány kis lépés történt már ez irányban a kvantumelmélet javára. Egy másik kiút lehetne a két elméletnek valamilyen mesterséges összeegyeztetése. Ilyen irányban is sok kutató dolgozik. Azonban sok év óta holtponton áll a kérdés, ugy hogy még egyáltalában nem lehet e különleges, a tudomány történetében még elő nem fordult szituáció megoldását látni.


* O. D. Chwolson a leningradi egyetemen hosszú évek óta a fizika tanára, egyike a modern fizika legkitűnőbb szisztematizálóinak, akinek négy kötetes nagy fizikája a világ minden részében ismert és használt kézikönyv. Ez a cikke igen érdekesen világit rá a modern fénytan nagy válságára, amely mint ő is megállapitja szinte precedens nélkül való az egész fizika történelmében.


* Lásd Az optika válsága cikket ugyanezen szám Kulturkrónika rovatában.


 


Vissza az oldal tetejére | Folyóirat | Főoldal