Student World

Před 300 lety vydal anglický přírodovědec Isaac Newton knihu Optika (Opticks, 1704), jedno ze svých nejvýznamnějších přírodovědeckých děl. Předestřel v něm svou koncepci světla, kterou vědci všeobecně uznávali až do počátku 19. století.

Na otázku fyzikální podstaty se věda snažila odpovědět odnepaměti. Tato otázka se vztahovala i k jinému problému, který přírodovědce vzrušoval: jak vlastně vidíme? Již v antice se otázku podstaty světla snažil vysvětlit Empedokles, který učil, že světlo má místní pohyb a šíří se mezi zemí a oblohou, aniž to můžeme pozorovat. Jeho hypotézu ovšem rázně odmítl Aristoteles, jehož přesvědčení, že „světlo je bezbarvá, statická matérie, jež je opakem tmy“, přijala středověká věda jakožto postulát, nad kterým se nediskutuje.
Spor o povaze světla se obnovil až v druhé polovině 17. století. Soupeřily spolu dvě teorie. První, kterou začal razit francouzský fyzik Pierre Gassendi (1592-1655), vysvětlovala světlo jako proud drobných částic šířících se nepředstavitelně velkou rychlostí. Druhou předložil francouzský filozof René Descartes (1596-1650), který se domníval, že vesmír vyplňuje určitá látka (nazýval ji „plenum“), která vyvíjí tlak na oči. Díky tomuto tlaku podle něj vzniká vidění.

Brzy se ale objevil ještě jeden výklad světla. Přišel s ním holandský vědec Christiaan Huygens (1629-1695), jenž např. zkonstruoval první kyvadlové hodiny stejně jako první fungující kapesní hodinky, v nichž je mechanismus poháněný pružinou. Huygens se zabýval i výrobou dalekohledů a věnoval se astronomickým pozorováním. V roce 1655 objevil Titan, největší měsíc Saturnu; správně také vysvětlil povahu Saturnových prstenců. Kvůli svým astronomickým bádáním se začal zajímat i o podstatu světla. To ho nakonec přivedlo i jeho největšímu vědeckému přínosu: k vypracování vlnové teorie světla. Uveřejnil ji v knize Pojednání o světle (1690). Huygens byl první, kdo našel rázné argumenty proti Gassendiho korpuskulární koncepci světla. Své přesvědčení, že světlo tvoří vlny, založil na jednoduché otázce: pokud by světlo tvořily částečky, řekněme třeba malinké letící šípy, jak vysvětlit některé optické jevy, které přírodovědci už řadu let popisují? Pokud naopak přijmeme, že světlo tvoří vlny, můžeme snadněji vysvětlit např. lom světla při jeho přechodu ze vzduchu do skla nebo vody.

Christiaan Huygens byl sice slavným vědcem, ale jeho činnost byla přece jen ve stínu jeho současníka Isaaca Newtona (1642-1727), jenž ve svém spisu Philospophiae naturalis principia mathematica (1687) formuloval teorii gravitace a tři pohybové zákony. Svoji vlastní teorii světla předložil Newton v knize Optika (úplný název: Optics or a Treatise of Reflections, Refractions, Inflections and Colours of Light,1704), kde tvrdil, že podstatou světla je proud částic. Newtonův věhlas byl již v té době tak ohromný, že většina považovala vědců jeho korpuskulární teorii světla za správnou, ba co víc, záhy se stala nezpochybnitelnou jako písmo svaté – a to až do objevu interference světla.

Isaac Newton

Newton dospěl k částicové teorii světla nikoli na základě pouhé úvahy, ale díky experimentům, které prováděl během svého vynuceného pobytu mimo Cambridge (tehdy sužovanou morovou nákazou). Na anglickém venkově prožil nejplodnější období své vědecké činnosti, tady údajně dospěl k teorii gravitace i k diferenciálnímu počtu. Studoval zde i světlo. Zajímalo ho zejména to, jak dochází k barevnému vidění. V té době již fyzikové pozorovali vznik spektra barev, k němuž dochází, když světlo projde skleněným hranolem. Všeobecně se ale přijímalo Aristotelovo vysvětlení, že světlo je bílé a že při průchodu skrz sklo se znehodnocuje. Newton se dlouze zabýval pokusy se skleněnými hranoly a čočkami. Jako první popsal škálu barev: rozdělil spektrum na sedm základních barev, protože číslo sedm je prvočíslo s určitými mystickými významy (Newton se podrobně zabýval i alchymií a gnosticismem). K nejdůležitějšímu experimentu došlo, když umístil za sebe dva trojúhelníkové skleněné hranoly, jež se spojovaly základnami. Zatímco první hranol, vrcholem vzhůru, rozložil bílé světlo na duhové spektrum, druhý, ten s vrcholem dolů, rozložené barvy sloučil zase zpátky. I když světlo prošlo sklem, nebylo znehodnoceno, jak se domníval Aristoteles, ale vrátilo se ke své průzračnosti. Díky tomuto pokusu si Newton uvědomil, že bílé světlo není ve své podstatě čisté, ale že obsahuje směs všech druhů barev.
Tento pokus, jimž vyvrátil starou Aristotelovu hypotézu, Newtonovi zároveň vnukl myšlenku na postavení nového druhu dalekohledu, kde místo čoček použil zakřiveného zrcadla. K optickým pokusům se Newton vrátil až za několik let. To už byl luciánským profesorem matematiky na univerzitě v Cambridge (dnes toto místo zaujímá astrofyzik Stephen Hawking) a zároveň představeným Trinity College (http://www.trin.cam.ac.uk). S novým typem jeho zrcadlového dalekohledu byli seznámeni i astronomové na kontinentu, rovněž výše zmíněný Huygens.
Když Newton poprvé publikoval svoji „teorii barev“, došlo k ostré polemice s jiným anglickým vědcem, Robertem Hookem (1635-1703), který objevil difrakci světla a snažil se v Anglii prosadit Hoygensovu vlnovou teorii. Newtonovy hypotézy zcela odmítl. Hooke byl všestranný vědec, jehož jméno mělo váhu, což i Newton, známý svou arogancí, respektoval. (Hooke osvětlil fungování plic, je autorem termínu „buňka“, formuloval zákon o deformaci pružného tělesa, vysvětlil vznik kráterů na Měsíci jako důsledek dopadu meteoritů, sestrojil barometr a helioskop.)

Není bez zajímavosti, že svůj revoluční spis Optika se Newton odvážil publikovat až po Hookově smrti. (Legenda praví, že Newtonova slavná věta: „Pokud jsem dohlédl dále, bylo to proto, že jsem stál na ramenou obrů,“ je kousavou narážkou na Hookovu malou postavu, a tudíž i malý intelekt.) V roce 1704 tedy vyšla kniha, která je po Principia mathematica nejvýznamnější Newtovovou prací. Principia byla psána latinsky, ale nyní Newton zůstal věrný svému rodnému jazyku, knihu ovšem brzy přeložil do latiny (s pomocí Samuela Clarkea), aby byla přístupná všem vzdělancům. Nevěnuje se zde tzv. geometrické optice, ale jde mu o podstatu: co je to světlo? Jak vznikají barvy? Svoje teorie důsledně vyvozuje z výsledků pokusů, které prováděl, a text je doplněn řadou nákresů (původní text Newtonovy Optiky si můžete ve formátu pdf prohlédnout na http://dibinst.mit.edu/BURNDY/Collections/Babson/OnlineNewton/NewtoniaPDF/Opticks/Opticks1704.pdf).

Newtonova představa světla tvořeného malými částečkami v tomto vyčerpávajícím sporu týkajícím se podstaty světla nakonec zvítězila. Jak už bylo předznamenáno, Newton se ve vědeckém světě těšil zcela mimořádné autoritě. A nejen vědeckém, rok po vydání Optiky ho anglická královna povýšila do rytířského stavu. Přesto v následujících letech tu a tam někdo zapochyboval a začal obhajovat vlnovou podstatu světla, byl to např. Leonard Euler (1707-1783), jeden z největších matematiků všech dob, který upozorňoval na to, že Newtonova hypotéza nemůže osvětlit např. difrakční jevy. Za zmínku stojí, že proti Newtonově teorii se postavil i německý básník Johann Wolfgang Goethe (1749-1832) ve své pověstné Nauce o barvách (Farbenlehre, 1810), ale učinil to krajně nevhodným způsobem: jeho alternativní teorie byla zcela nesprávná (viz např. http://www.goethe-net.de/farbenlehre.htm). Z tohoto důvodu je Goetheova Nauka o barvách považována za básníkův nejhorší spis vůbec.

Na začátku 19. století už korpuskulární teorie světla nemohla obstát. To, že byla její autorita poprvé v očích vědců nalomena, způsobily pokusy britského lékaře Thomase Younga (1773-1827). Ani Young nebyl mužem jednoho objevu. Jako lékař, působící v londýnské nemocnici Svatého Jiří, vysvětlil astigmatismus způsobený nepravidelnostmi zakřivení oční rohovky, dále si jako první uvědomil, že barevné vidění vzniká kombinací pouhých tří barev (červené, zelené a modré), působících na receptory v oku. Vedle toho lze jmenovat i jeho významná fyzikální zjištění, např. první odhad velikosti molekul. (A aby toho nebylo málo, získal si Young uznání i jako egyptolog, když pomohl rozluštit tzv. Rosettskou desku, nalezenou v roce 1799 francouzskými vojáky Napoleonovy expedice poblíž ústí Nilu.)

Youngův experiment, který rehabilitoval Huygensovo a Hookovo vlnové přesvědčení, byl stejně výmluvný jako prostý. V literatuře se o něm píše jako o „dvouštěrbinovém experimentu“. (Richard Feynman s oblibou říkával, že všechny moudrosti kvantové mechaniky se skrývají za zevrubným promýšlením tohoto jediného experimentu.) V zásadě pokus vypadá tak, že namíříme zdroj světla na přepážku, do níž jsme vyřízly dvě škvíry. Za nimi umístíme podložku nebo raději fotografickou desku. Při otevření obou škvír můžeme pozorovat interferenční obrazec, kdy se světlo rozlije ne do dvou proužků, jak by to mělo logicky udělat, kdyby bylo tvořenu proudem částic, nýbrž několik proužků, podobajících se úseku vln na vodě. Tento jev, označovaný jako „interference světla“, nenechával Younga na pochybách, že správná je vlnová teorie světla, ale před širší veřejností to obhájit nedokázal.

To se povedlo o až pár let později francouzskému amatéru Augustinovi Fresnerovi (1788-1827). Fresner byl původně stavitelem silnic, ale ve volném čase se zabýval optikou. Právě jeho jednoduché experimenty a jejich matematické zdůvodnění sesadily Newtonovy teorie vyjádřené ve slavné knize Optika. Pozoruhodné je, že Fresner neznal Youngovy práce, ba ani studie Huygensovy a Hookeovy. Postupoval sám. Když francouzská Akademie věd vyhlásila v roce 1817 soutěž, která měla jednou provždy vyřešit zapeklitou otázku podstaty světla, předložil Fresner obsažnou práci, v níž pomocí diferenciálního počtu vysvětluje jev difrakce a kde je nepochybný důkaz o vlnovém charakteru světla. Při obhajobě musel přesvědčit oponenturu, které předsedal nikdo menší než byl Pierre Laplace, silný zastánce Newtonovy teorie. Přesto uspěl. Neboť jeho poznatky, navíc matematicky domyšlené Poissonovými výpočty, byly neoddiskutovatelné.

Young a jeho následovníci si byli jisti, že konečně odhalili skutečnou podstatu světla. Brzy se ale v souvislosti s jejich teorií dostala na pořad jiná otázka: co je to za látku, která je odpovědná za kmitání světla? Aby teorie světelného vlnění byla vědecky hodnověrná, vznikl koncept „světového éteru“. Éter byl definován jako nekonečně jemné médium, kterým všechny látky pronikají a které současně vyplňuje veškerý prostor kolem nás. Tím byla dočasně zachráněna mechanistická představa světa. Ačkoli existence éteru nebyla experimentálně potvrzena, 19. století o něm takřka nepochybovalo.

Problém podstaty světla ale zdaleka neskončil. Základ k teorii světla coby elektromagnetického vlnění později položil James C. Maxwell (1831-1879). Že je všechno jinak, než jak si představovala přírodověda 19. století, ukázal nakonec Albert Einstein svým vysvětlením fotoelektrického jevu: světlo je elektromagnetické záření, ale jeho povaha je jak vlnová, tak i korpuskulární. Tím byla pohřbena teorie světového éteru, ale současně se rýsoval nový koncept, jehož důsledky byly pro fyziky začátku 20. století nepředstavitelné. To už je ovšem jiný příběh, příběh kvantové mechaniky.

Linky:

The Newton Project (Newtonovy práce a manuskripty on-line)
http://www.newtonproject.ic.ac.uk

Newton, Isaac
http://scienceworld.wolfram.com/biography/Newton.html

autor Jan Kapoun