lysets vitenskapshistorie

Antikken

Den greske matematikeren Evklid, malt i ca. 1474. Utseende til Evklid er ikke dokumentert. Det fine bildet sier dermed mer om 1400-tallet enn om Evklid.

Evklid

Av Justus van Gent .

Lisens: Falt i det fri (Public domain)

I de gammelegyptiske veggbilder blir Solen fremstilt med armer og hender. Bildet handler om at sollyset gir tingene romlig form. Det sier på sin intuitive måte det samme om lyset som når vi sier om oss selv at vi «begriper», eller «fatter» tingene.

Grekerne etterlot seg flere mer eller mindre fullstendige utkast til en lyslære. Felles for dem alle er at oppfatningen av lyset er knyttet til en begrunnelse for det som øyet ser. Enkelte antikke skoler gikk ut fra at lysets og synets akt var to sider av samme sak (f.eks. Plotin 205–270 e.Kr.).

Betegnelsen optikk stammer fra Euklid. Hans Optiké (ca. 300 fvt.) som handler om stedet for det sette som noe sett, bygger ikke på eksperimenter, men på intuitive (aksiomatiske) definisjoner. Det sette defineres som grunnflate i en kjegleformet synsstrålebunt som har sin spiss i øyet. De tingene som treffes av de øvre synsstrålene, viser seg i synsflatens øvre område, de som treffes av de venstre strålene viser seg til venstre osv. Synsbildet blir altså ordnet intuitivt ut fra vår muskelfornemmelse av at vi retter blikket oppover, mot venstre osv. Det sette har hos Euklid ingen visuelle kvaliteter. Det har kun romlige egenskaper, som relativ størrelse og posisjon i synsflaten. Ut fra en slik strålemodell kan de heller ikke ha dybde og karakter av romlig kropp.

I et anonymt verk («Pseudo-Euklid») blir Euklids optikk utvidet med en lære om stedet for speilbilder og brutte bilder. Heller ikke denne bygger på systematiske eksperimenter, men på definisjoner.

En ansats til en lære om det sette som visuell kvalitet stammer fra Platon (427–347 f.Kr.). Mens Euklid bare regner med synsstråler fra øyet, regner Platon også med det ytre lys som affiserer øyet og aktiviserer dets egenlys. Fargefornemmelsen oppfattes som en fornemmelse av synsorganets reaksjon på det ytre lys. Når det ytre lys dominerer, oppstår fornemmelsen av hvitt. Lysets fravær fremkaller fornemmelsen av svart, som kan oppfattes som synets egenfornemmelse. En slik bestemmelse er egnet til å beskrive det sette som et samspill av lys og skygge og dermed som kropp.

Aristoteles (384–322 f.Kr.) la vekt på mediet som formidler av det sette. Øyet blir stimulert av berøringen med mediet. Han bestemmer lyset som betingelse for erfaringen av gjennomsiktighet.

Om Euklid, Platon og Aristoteles kan vi si at de peker mot de tre former for optikk som fortsatt gjelder, nemlig geometrisk (Euklid), fysiologisk (Platon) og fysikalsk optikk (Aristoteles). Grekerne har også mer fragmentariske synsteorier, hvor bl.a. lyset blir oppfattet som en strøm av bilder av objektet.

Ingen av de tre nevnte teorier handlet om avbildning. Vitenskapen om avbildning (geometrisk optikk) oppstod mye senere.

Middelalderen og renessansen

Camera obscura. Første kjente prinsippskisse av camera obscura. Skissen viser avbildning av en solformørkelse. (Etter Rainer Gemma-Frisius, 1544.)

KF/Store norske leksikon.

Lisens: Begrenset gjenbruk

Araberne studerte lysets brytning og refleksjon. Ibn al-Haitham utviklet omkring år 1000 en begynnende teori for avbildning i camera obscura. Hans arbeider betydde mye for utviklingen av optikken i Europa i senmiddelalderen.

Et avgjørende fremskritt var oppdagelsen av sentralperspektivet. Denne oppstod ikke minst ut fra et praktisk ønske om å kunne projisere det sette (som var bestemt i Euklids optikk), inn på et lerret. Etter at sentralperspektivet var oppdaget, talte man om to former for optikk, nemlig prospettiva naturalis, som var Euklids optikk, og prospettiva artificialis, som handlet om sentralperspektivisk avbildning på en flate.

Oppdagelsen av sentralperspektivet inviterte til å oppfatte bildet på øyets netthinne som en sentralperspektivisk avbildning, og dermed var grunnlaget lagt for en geometrisk avbildningsoptikk, som kunne anvendes blant annet på kikkert og mikroskop (Johannes Kepler og Anton van Leeuwenhoek).

Modeller for lysets utbredelse i rommet

Sir Isaac Newton under et av sine eksperimenter med analyse av lys.

KF-arkiv.

Lisens: fri

Isaac Newton og Christiaan Huygens fremsatte i ca. 1650 hver sin lysteori; Newtons korpuskelteori og Huygens' bølgeteori. Newton antok at lys er små partikler, korpuskler, som blir sendt ut fra lysende legemer og beveger seg rettlinjet gjennom rommet med stor hastighet. Huygens betraktet lys som en bølgebevegelse i et stoff som fyller verdensrommet og alle gjennomsiktige legemer, den såkalte lyseteren. Newtons teori kan på en enkel måte forklare refleksjon og brytning, men den kan ikke uten kompliserte antagelser forklare interferens, bøyning og polarisasjon. Huygens' teori kunne forklare alle disse fenomenene.

I 1665 oppdaget Francesco Maria Grimaldi det tidligere nevnte bøyningsfenomenet, men uten å kunne gi noen forklaring på det. Han kalte det diffraksjon. Omkring 1800 påviste T. Young lysets interferens. Bølgeteorien ble også utviklet videre av Augustin Jean Fresnel, som i 1826, ut fra Huygens' prinsipp, forklarte diffraksjon som en følge av lysets bølgenatur. Bølgeteorien ble senere utviklet videre av Gustav Robert Kirchhoff. Etter at Jean Bernard Léon Foucault 1849 hadde målt lysets hastighet i vann og funnet at den var mindre enn i luft, mens den etter Newtons teori måtte være større, ble bølgeteorien alminnelig anerkjent og Newtons teori forkastet.

Lyset som elektromagnetisk stråling

I 1808 oppdaget Étienne-Louis Malus lysets polarisasjon, og i 1845 viste Michael Faraday at polarisasjonsretningen forandres av et magnetfelt, noe som tydet på en sammenheng mellom lys og elektromagnetisme. Denne teorien fikk sin avsluttende form ved James Clerk Maxwells elektromagnetiske lysteori ca. 1860. Etter denne teorien er lysbølgene elektromagnetiske svingninger i eteren, altså elektriske og magnetiske vekselfelter som brer seg utover. Som utgangspunkt for lysbølgene kan man tenke seg svingende, elektriske ladninger, elektroner, en teori som særlig ble utviklet av Hendrik Antoon Lorentz. Lys er altså prinsipielt det samme som elektromagnetiske radiobølger, men disse har mye større bølgelengde. Se også lys og elektromagnetisk stråling.

Lysets hastighet, relativitetsteorien

Det første kjente forsøk på å måle lysets hastighet ble utført etter forslag av Galileo Galilei. Han ville måle tiden det tok å signalisere frem og tilbake over en avstand på 8 km, men forsøkene viste bare at lyset gikk så fort at tiden ikke ble målbar. Galileis samtidige, René Descartes, hevdet at lys ikke bruker tid til å forplante seg, og dette var gjeldende oppfatning inntil dansken O. C. Rømer viste at lyshastigheten lot seg bestemme ut fra hans observasjoner av bevegelsene til Jupiters måner. Både Newton og Huygens regnet med at lyset brukte tid for å forplante seg. Den engelske astronomen James Bradley klarte i 1728 å bestemme lyshastigheten på grunnlag av aberrasjonen av lys fra stjernene. Direkte målinger av lyshastigheten i luft ble først utført av Armand Hippolyte Louis Fizeau i 1849. Metoden bestod i å sende en parallellisert (kollimert) lysstråle mellom tennene på et tannhjul som roterte, reflektere strålen med et speil ca. 10 km borte og variere omløpshastigheten på hjulet slik at den reflekterte strålen også passerte mellom tennene. Målingen gav som resultat at lyset forplantet seg med en hastighet av 315 500 km/s. Senere er en rekke metoder benyttet, og lyshastigheten er bestemt med stadig større nøyaktighet. Ved hjelp av laserteknikk ble målinger utført med så stor nøyaktighet at usikkerheten i verdien for lyshastigheten kunne tilbakeføres til den mekaniske bestemmelsen av meterprototypens lengde. I 1983 vedtok derfor Generalkonferansen for vekt og mål, på grunnlag av de til da utførte beste målingene, å fastsette lysets hastighet i tomt rom til 299 792 458 m/s eksakt, og å benytte denne verdien for å definere lengden av én meter.

Albert Abraham Michelson og Edward Williams Morley viste i 1881 at lyshastigheten er uavhengig av Jordens bevegelsestilstand. Dette stred mot det man måtte vente hvis lys var bølger som forplantet seg i en verdenseter, men fikk sin forklaring utfra Albert Einsteins spesielle relativitetsteori fra 1905. I alle gjennomsiktige stoffer forplanter lyset seg med hastighet v = c/n, hvor c er lysets hastighet i vakuum og n er stoffets brytningsindeks.

Kvantefysikken

James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell

Av George J. Stodart .

Lisens: Falt i det fri (Public domain)

Sammen med relativitetsteorien har kvantefysikken levert 1900-tallets bidrag til lyslæren. De har på mange måter gjort radikale inngrep i den klassiske teorien, som med James Clerk Maxwell var ført frem til en vel definert og avsluttet form. Man kjenner nå en rekke eksempler på fenomener som ikke kan forklares ved Maxwells teori. Blant disse kan nevnes lysutsendelsen fra glødende legemer (svart stråling) og fotoelektrisk effekt. I disse tilfellene må man anta at lys består av partikler, som kalles fotoner eller lyskvant, og bølgeteorien blir irrelevant. På den annen side viser interferens- og bøyningsfenomener at bølgeteorien er uunnværlig. Einstein gjorde i 1905 et forsøk på å kombinere bølge- og emisjonsteori ved å anta at lyset eksisterer som et slags nåler eller lange bølgetog, men denne nåleteorien viste seg uholdbar.

Man er blitt stående ved at lyset er et fenomen som ikke kan beskrives ved et enkelt bilde hentet fra en annen del av fysikken. Lyset viser etter kvanteteorien en dualitet. Det kan beskrives som bestående av kvanter (fotoner) samtidig som det er elektromagnetiske bølger. Hvert kvant fører med seg en energi E = h · v, hvor h er Plancks konstant, og v er lysets frekvens. Dualiteten innebærer ikke noen selvmotsigelse, men er et uttrykk for at de modeller vi henter fra dagliglivet er utilstrekkelige når det gjelder å beskrive naturens fundamentale egenskaper. I kvantefysikken gis det én (matematisk) beskrivelse av lyset, som forener bølge- og partikkelbeskrivelsene, og som bringer teorien for lys i samsvar med teorien for materie for øvrig.