Miért van világos ott is, ahová nem süt a Nap?

 

A gyertyaláng és a rádióállomás

Ha a Napon, a Holdon vagy más égitesten mégoly hatalmas robbanás történnék is, hangja nem jutna el a Földre. A hangrezgések nem tudnak áthatolni a bolygóközi téren. De a fény a távoli égitestekről is eljut hozzánk, és eljutnak az űrrakéták rádiójelzései is.
De nem kell a világűrbe menni, hogy az említett jelenségeket meg. figyeljük. Tegyünk üvegbura alá egy csengőt, egy villanylámpát és egy kis rádióadóállomást. Ha kiszivattyúzzuk a burából a levegőt, a csengő hangját nem halljuk. De a bura alatt levő villanylámpa fénye vagy a rádióadó jelzései kitűnően átjutnak a bura légritka terén.
Mivel a fény, a rádióhullám a légritka téren át is terjed, ez azt mutatja, hogy egészen másféle jelenségek ezek, mint a hang.
De mivel a fény is, a rádióhullám is átjutnak a csillagközi téren, ebből arra lehet gondolni hogy a fény és a rádióhullámok rokonságban vannak egymással (ábra).

A gyertyaláng is, a rádióadóállomás is lényegileg ugyanolyan elektromágneses hullámokat sugároz ki. Csupán a hullámhosszban van különbség

Az utóbbi száz évben sikerült bebizonyítani, hogy azok a rádióhullámok, amelyek rádiókészülékünket működtetik, lényegileg ugyanolyan hullámok, mint a fényhullámok, csakhogy a rádióhullámok százezerszer - ezermilliószor hosszabbak, mint a fényhullámok.
Gondoltuk volna, hogy szemünk és a rádiókészülék lényegében ugyanarra a célra szolgál? A rádiókészülék a rádióhullámokat veszi észre, szemünk pedig az ezermilliószor rövidebb fényhullámokat.
A gyertyalángot tekinthetjük ilyen rövid hullámokat kibocsátó rádióállomásnak. A rádióállomás antennatornyát pedig olyan gyertyának gondolhatjuk, amelyből a kiinduló hullámok olyan hosszúak, hogy szemünk már nem érzékeny rájuk. Ha az az adóantenna egyre rövidebb rádióhullámokat bocsátana ki, végül olyan rövideket, mint a fényhullám, akkor az antennatorony világítana, mint a gyertyaláng.

 

Milyen hosszú a hang-, a rádió- és a fényhullám?

Amikor a zenész hegedűjének,"a" húrját hangsíp segítségével behangolta. akkor ez az "a" hangot adó húr másodpercenként 440-et rezdül, 440 hanghullám indul ki belőle.
De egy másodperc alatt a hang kb. 340 méter messzire jut el. Ezért az a 440 hanghullám 340 méter hosszú úton át oszlik el. Milyen hosszú út jut egy hullámra? A 340 méter 440-ed része (ábra). Tehát

A másodpercenként 440 rezgésszámú "a" hang hullámhosszának számítása

A 440-es rezgésű hang hullámhossza 340 méter : 440 = 0,773 méter = 77,3 centiméter.
A rádióhullámok meg a fényhullámok is egy másodperc alatt 300 000 kilométert tesznek meg. Könnyű egy műszerrel megmérni azt, hogy a rádióadótoronyban az elektromos áram hányszor fut fel-le egy másodperc alatt. Ennyi a rezgésszáma. Ennyi hullám indul ki az antennából egy másodperc alatt.

A Kossuth adó hullámhosszának számítása

Például a Kossuth rádió csepeli adótornyában egy másodperc alatt 539 000 rezgés történik, 539 000 hullám indul ki belőle és 539 000 hullám oszlik el az egy másodperc alatt befutott 300 000 kilométeres úton (ábra). Ezért

A budapesti ultrarövid hullámú rádióadó pedig 4,5 méteres hullámokat sugároz, több mint százszor rövidebbeket, mint a Kossuth-adó.
De ha azt akarnánk, hogy a Kossuth rádió csepeli antennatornya világítson, mint a gyertyaláng, akkor ezermilliószor rövidebb rádióhullámokat kellene kisugároznia, mint most, mert például a vörös fény hullámának hossza kb. 0,0008 milliméter, az ibolyántúlié kb. 0,0004 mm. A 0,000556 mm hullámhosszú rádióhullámokat sugárzó antenna zöld fényben ragyogna. Az elektromos áramnak pedig másodpercenként 539 000 milliószor kellene fel-le szaladnia az antennatoronyban. Ezt nem tudjuk megvalósítani.

 

Mi bizonyítja azt, hogy a fényben is energia terjed, mégpedig hullámszerűen?

Emlékezzünk csak vissza a hanghullámokra. Ha például a dobot megütjük a dobverővel, munkát végzünk, és a dob bőre rezegni kezd. A hang keltéséhez szükséges munkavégzés egy része hangrezgések, hanghullámok alakjában terjed tovább. Hogy valóban energia terjed tovább, az bizonyítja, hogy a hang megrezegteti tenyerünket, dobhártyánkat.
Hasonlóképpen munkavégzés, energia szükséges a rádióhullámok vagy a fény keltéséhez is. Képzeljünk el két nagy sebességgel haladó molekulát vagy atomot. Ha összeütköznek, akkor az összeütköző részecskék energiájának egy része fényrezgések, fényhullámok alakjában terjed tovább.
Például az izzó vas azért világít, mert a nagy hőmérsékleten sebesen mozgó vasatomok összeütköznek. Új világítóeszközünk, a fénycső azért világít, mert a fénycsövön keresztülhaladó elektromos áramban sebesen mozgó elektronok nekiütköznek a csőben levő gázok atomjainak.
Mi bizonyítja azt, hogy a fényben energia terjed?
Ha a napsugárba tartjuk kezünket, meleget érzünk. A melegebb anyag molekulái sebesebben mozognak, nagyobb az energiájuk. Ezt az energiatöbbletet a fény szállította oda.
Azt valóban könnyű észrevenni, hogy a fényben energia terjed. De mikor jött rá az emberiség arra, hogy a fényben rezgésszerűen, hullámszerűen terjed az energia? Mert ha a napfényt látjuk, igazán semmi sem mutat arra, hogy ez a fény valamiféle rezgőmozgás, hullámmozgás.

A résekre baloldalról fény esik. A résekből a fal felé kiinduló sok fénysugár közül kísérjük figyelemmel a rajzon látható két fénysugarat. Van a falon olyan hely, ahová az egyik résből kiinduló fénysugár hullámheggyel, a másikból kiinduló pedig hullámvölggyel érkezik. Itt sötétség lesz

Kísérlet. Amikor a szabadban fürdünk, könnyen elvégezhetjük a következő kísérletet: a csendes állóvíz tükrére tegyünk egy parafa dugót, azután mártogassuk ujjunk a vízbe. A mártogatás helyéről vízhullámok indulnak ki, energia terjed. A dugó emelkedik és süllyed. Ha hullámhegy érkezik oda, emelkedik, ha hullámvölgy, akkor süllyed.
Ezután a dugó másik oldalán is mártogassuk a másik kezünket vízbe. A dugóhoz most mindkét kezünktől érkeznek hullámok. Ha mindkét helyről hullámhegy érkezik egyszerre a dugóhoz, akkor kétszer olyan magasra emelkedik, mintha csak egy hullámhegy érkeznék. Ha pedig mindkét helyről hullámvölgy érkezik egyszerre a dugóhoz, akkor kétszer olyan mélyre süllyed.
De ha ügyesen mártogatunk, akkor lesznek olyan pillanatok, amikor egyik kezünktől hullámhegy érkezik a dugóhoz - emelni akarja, a másik kezünktől meg hullámvölgy - ez meg süllyeszteni akarja. Végeredményben a dugó mozdulatlan marad.
Ehhez hasonló kísérletet lehet elvégezni a fénnyel is. Világítsuk meg a falat egy lámpával - a fal világos lesz. Ezután világítsuk meg a falat egy másik fényforrással is - a fal még fényesebb lesz.
Ez természetes, ez mindennapi tapasztalat.
De a fizikusok elő tudják idézni azt az esetet is, hogy jóllehet mindkét fényforrásból fény jut a falra, a fal mégsem lesz világos, hanem sötét marad (ábra). Ez csak úgy magyarázható, ha feltételezzük azt, hogy az egyik fényforrásból hullámheggyel, a másikból meg hullámvölggyel érkezik a falra a fény, vagyis a fény hullámmozgás.
(A fény hullámtermészetét Thomas Young brit fizikus igazolta 1803-ban kísérletének leírása és animációi címszavánál, megtalálhatók.)

 

Madártollal bizonyítjuk, hogy a fény hullámmozgás

Gyermekkorában alighanem mindenki nézett már madártollon át a Nap vagy a lámpa fehér fénye felé. Szivárványszínű csíkokat látott. Hogyan lehet ez, hiszen fehér fény jött át a tollszőrök közötti igen keskeny réseken! Hogyan lett a fehér fényből különböző színű fény?
A magyarázat egyszerű. A fehér fényben összekeveredve benne vannak a szivárvány összes színei. A fény a tollban egymás mellett levő szűk réseken át jut szemünkbe. Igen ám, de a rések különböző távolságban vannak szemünktől. Tegyük fel, hogy a madártollra eső fehér fényben benne levő vörös színű fény átjön az egyik résen és hullámheggyel érkezik szemünkbe. A kissé odább levő szomszéd résből jövő fény már valamivel hosszabb utat tesz meg, ezért hullámvölggyel érkezik szemünkbe. De a hullámhegy és a hullámvölgy kioltják egymást - eltűnik a vörös szín a szemünkbe érkező fényből. Megmarad a többi szín, ezek keveréke azonban zöld színt ad, így zöld színt látunk.
Ugyanígy kioltódhat a tollra eső fehér fényből a benne levő sokféle szín bármelyike, és a megmaradt színek keveréke bármilyen színt adhat.
Ezeket a fénytalálkozási jelenségeket is csak úgy tudjuk megmagyarázni, ha a fényt hullámmozgásnak gondoljuk.
Bizony ez annyira szokatlannak látszik, hogy a tudomány csak 1800 körül fogadta el a fénynek ezt az úgynevezett hullámelméletét.

 

Mikor sikerült megmérni a fény terjedési sebességét?

Mindennapi jelenségek (pl. a visszhang) bizonyítják azt, hogy a hangnak időre van szüksége terjedéséhez.
De a gyufa fénye a lángralobbanás pillanatától számított egy másodperc múlva már 300 000 kilométer messzire jut. Ezért semmiféle mindennapi tapasztalatunk sem mutat arra, hogy a fény terjedéséhez idő kell. Römer Olaf dán csillagász a párizsi csillagvizsgálóban 1675-ben olyan megfigyelést tett, miközben a Jupiter bolygó holdjainak keringésidejét vizsgálta, amit csak a fény véges terjedési sebességével lehetett megmagyarázni. Sőt megfigyelése alapján ki is számította a világűrben terjedő fény sebességét. (A meghatározás elve a fénysebesség címszónál látható.) De még a következő évtizedekben is akadtak kiváló tudósok, akik nem hittek abban, hogy a fénynek időre van szüksége a terjedéshez.
Földi fényforrásból kiinduló fény terjedési sebességét először 1849-ben sikerült megmérnie a francia Fizeau (olv. Fizó) fizikusnak. Azóta az is kiderült, hogy a fény sebességénél nagyobb sebesség lehetetlen a természetben.
A fény terjedési sebessége valamivel kisebb, mint 300 000 km másodpercenként, pontosabban 299 793 km másodpercenként légüres térben. (A fény sebessége vízben 225 000 km, üvegben kb. 200 000 km másodpercenként.)

 

Miért lesznek láthatóvá a tárgyak, ha fény esik rájuk?

A vízhullámok, a hanghullámok visszaverődnek a tárgyakról. A fény mint hullámmozgás ugyancsak visszaverődik, a visszavert fény szemünkbe jut és látjuk a tárgyat (ábra).

A közönséges ablaküveg halvány képet ad, mert a ráeső fénynek csak 10%-át veri vissza

Egy tárgy annál jobban látható, mennél több fény verődik vissza róla.

De hogy az a tárgy minden irányból látható legyen, azért minden irányban lehetőleg sok fényt kell visszavernie. Ezért felületének nem szabad simának lennie.
Nem minden anyag veri vissza egyformán jól a fényt. Például az ezüst a ráeső fénynek kb. 90%-át veri vissza, az alumínium 75%-át. Ezért vonják be ezüsttel a tükrök hátsó felületét. Így sok fényt ver vissza, fényerős képet látunk.

A durva felület minden irányban szétszórja az egy irányból érkező fényt. A felület minden irányból látható

Sőt az is érthető, hogy miért szemcsés felületű a jó mozivászon és miért kenik be alumínium-festékkel. A szemcsés felület minden irányba szórja a fényt (ábra), a kép minden irányból látható, az alumínium pedig azt biztosítja, hogy sok fény verődjék vissza a nézők szemébe.

De a mozivászon fizikájánál sokkal fontosabb azt tudni, hogy

a fehérre meszelt fal 80%-át,
a világossárga fal 55%-át,
a zöld fal pedig csak 25%-át

veri vissza a fénynek.

A falakról visszaverődő fény eljut a szoba legtávolabbi sarkába is, ezért van világos ott is, ahová nem süt a Nap.
Aki még este is világos szobát akar és kevés villanyköltséget, az jól jegyezze meg, hogy a fehér fal 80%-os és a világossárga fal 55%-os fényvisszaverő képességű.


Felhasznált irodalom