Ljusets dubbla natur

Att ljuset är både vågor och partiklar är vad dagens fysiker tvingas leva med. Kampen mellan förespråkare för vågteorin och dem som ansåg att partikelteorin bäst motsvarar verkligheten pågick i flera hundra år tills kompromissen om ljusets dubbelnatur uppnåddes.

Vid trettio års ålder hade den franske fysikern Augustin-Jean Fresnel år 1818 lyckats formulera en teori om ljusets natur som kunde förklara alla vid den tiden kända optiska fenomen. Han ställde upp med sin teori i en tävling utlyst av Franska akademin, säkerligen väl medveten om att den skulle bli hårt kritiserad.

Ljuspricken avgjorde

Hans teori byggde nämligen på antagandet att ljuset består av något slags vågor, i konflikt med den förhärskande uppfattningen att ljus utgörs av partiklar. Tävlingsjuryn bestod av fem av Frankrikes mest framstående vetenskapsmän: François Arago, Jean Biot, Joseph Gay-Lussac, Pierre Laplace och Simeon-Denis Poisson. Arago hade arbetat tillsammans med Fresnel och stödde hans vågteori, medan Biot, Laplace och Poisson var anhängare av partikelteorin.Den briljante matematikern Poisson ansåg sig snart ha spräckt Fresnels teori. Denne använde nämligen vågteorin till att beräkna vad som händer när man placerar en cirkelformad ogenomskinlig skiva i ett ljusknippe och fann att det i centrum av skuggan skulle synas en liten ljus fläck, som om det var hål i skivan! Eftersom detta resultat strider mot sunt förnuft måste Fresnels teori avvisas, menade Poisson.Nu var det dags för Arago att göra en insats. Han var en framstående experimentalist och kunde snabbt rigga upp lämplig utrustning för att i detalj studera skuggan av en cirkelskiva med diametern 2 millimeter. Och vad fick de häpna åskådarna se om inte en ljus prick mitt i skuggan!I och med detta var tävlingen avgjord. Fresnel vann första pris, och vågteorin för ljus fick ett stort genombrott. En teori som förklarar en rad kända fenomen är normalt att anse som lovande. Och en som dessutom pekar framåt och förutsäger nya fenomen är definitivt ett strå vassare. Efter en del kompletterande experiment de närmast följande årtiondena var partikelteorin i stort sett uträknad. Ljusstrålarna kom från ögatSpekulationerna om vad ljuset består av började egentligen långt tidigare. Till att börja med gjorde man ingen åtskillnad mellan begreppen ljus och syn – vissa grekiska filosofer ansåg att ögonen sänder ut strålar som på något sätt känner av omgivningen. Men så småningom växte uppfattningen fram att ljus är något som kan existera oberoende av om det når fram till ett öga.Tanken att ljus skulle bestå av partiklar som strömmar ut från ljuskällor uppstod tidigt och stämmer bra ihop med det faktum att ljuset utbreder sig rätlinjigt. Vågteorin fick sin början när den brittiske naturforskaren Robert Hooke på 1600-talet föreslog att ljuset kunde vara någon typ av vibrationer som med hög hastighet utbreder sig i olika medier.Hans samtida landsman, den sedermera berömde fysikern Isaac Newton, funderade också på denna typ av förklaringar, men blev med tiden en ledande förespråkare för partikelteorin. Enligt mekanikens lagar, som han själv så framgångsrikt formulerat, rör sig partiklar så länge de inte utsätts för yttre krafter.Medan Newton tog ställning för partikelteorin, publicerade holländaren Christiaan Huygens år 1690 sin berömda princip för vågutbredning. Enligt denna kan varje punkt på en vågfront tänkas sända ut sfäriska ”småvågor” åt alla håll. Genom att summera ihop alla småvågor får man fram hur vågfronten ser ut en stund senare. Med denna princip kunde Huygens förklara hur ljuset bryts och reflekteras vid en gränsyta mellan två olika medier, t ex luft och vatten.Huygens princip vann inte många anhängare vid denna tid, men den var av stor betydelse när Fresnel drygt hundra år senare vidareutvecklade vågteorin. Också den brittiske fysikern Thomas Young bidrog starkt till utvecklingen under denna epok.Strålarna böjs av runt kantenHur kan det då komma sig att det syns en ljus prick i centrum av cirkelskivans skugga? En viktig del av förklaringen är att vågor enligt Huygens princip faktiskt kan gå runt hörn (bild 3). Detta fenomen kallas för böjning. När en plan våg faller in mot en öppning i en skärm fortsätter en del av småvågorna rakt fram och bildar en gemensam vågfront.De småvågor som går i sneda riktningar kommer däremot i otakt med varandra – vissa av dem har en vågdal där andra har en vågtopp. Om man summerar ihop bidragen i den sneda riktningen finner man att summan blir noll. Vid öppningens kanter överlever dock en del av de snedriktade vågorna, och resultatet blir att en liten del av ljuset här böjs bort från framåtriktningen.På samma sätt kommer en del ljus att böjas runt kanterna på cirkelskivan, men de småvågor som når fram till en punkt i skuggan i allmänhet kommer att vara i otakt och därför släcker ut varandra – skuggan förblir mörk. Fast just i skuggans mittpunkt kommer tillräckligt många småvågor att vara i takt (eller i fas som man också säger) med varandra för att resultatet ska bli den märkliga ljusa pricken.Att vågorna slår ihop sig så det blir ljust precis i skuggans mitt går att beräkna (bild 4). Man delar upp utrymmet utanför cirkelskivan i s k Fresnelzoner, cirkelringar som blir allt smalare ju längre ut de befinner sig. En intressant tillämpning av Fresnelzoner är s k zonplattor. Om man täcker över varannan zon får man till resultat en kraftigt förstärkt ljusvåg. Denna zonplatta fungerar som en lins som fokuserar ljuset. Zonplattor är inte särskilt lämpliga som linser i vanliga kameror, på grund av att brännvidden i hög grad är beroende av ljusets våglängd. Men de används i stället i andra tillämpningar där vanliga glaslinser inte fungerar, t ex i strålkastare och fyrar.Hur ska man då gå till väga om man vill se ljuspricken i skuggan med egna ögon? Att hålla ett tefat under skrivbordslampan fungerar inte. Dels bör ljuskällan vara så punktformig som möjligt, annars suddas ljuspricken ut, dels är det lättare att lyckas ju mindre skivan är.En möjlighet är att använda en liten pekpinnelaser som ljuskälla. Med en liten lins kan man sprida ut strålen så att den blir tillräckligt bred. Sedan kan man placera en liten kullagerkula i den breddade strålen. Att det är en kula i stället för en skiva spelar ingen roll – det viktiga är att kanten är cirkelrund. Sedan är det bara att hålla ett vitt papper bakom kulan och titta på skuggan. Där ska pricken synas. Eventuellt kan man använda en lins till för att förstora upp skuggan. Självfallet måste man vara försiktig så att ingen får laserstrålen rakt i ögat.Vågor förklarar inte alltDet väsentliga i Fresnels teori om ljusets vågnatur är att ljuset består av någon sorts vågor. Däremot spelar det inte så stor roll vilken typ av vågor det rör sig om. Tur är väl det, eftersom man vid denna tid egentligen inte hade en aning om detta.Man spekulerade över att ljus kanske är vibrationer i ett hypotetiskt medium, etern, som uppfyller universum, liksom ljud är vibrationer som fortplantas genom vanlig materia. Först i slutet av 1800-talet kunde man tack vare den då utvecklade elektromagnetiska fältteorin fastställa att ljuset består av elektriska och magnetiska fält som utbreder sig i form av vågor.I och med att man nu hade fastställt att ljus består av elektromagnetiska vågor kan man tycka att diskussionen om ljusets natur borde ha varit avslutad. Men 1900-talet skulle bjuda på ännu en omvälvning.Alla föremål sänder spontant ut elektromagnetiska vågor. Vid rumstemperatur är det huvudsakligen långvågig infraröd strålning som sänds ut. När temperaturen ökar blir utstrålningen kortvågigare och får allt högre intensitet. Även synligt ljus sänds ut: först rödaktigt, sedan allt vitare.Den klassiska fysiken misslyckades med att förklara denna värmestrålning på ett tillfredsställande sätt. Den nya eran inom fysiken började när den tyske fysikern Max Planck år 1900 lyckades formulera en framgångsrik teori för värmestrålningen. Han föreslog att ljuset bara kan sändas ut eller tas upp i form av små paket, kvanta, med bestämd energi. Ljusets energi är kvantiserad, sade Planck.Ett annat fenomen som den klassiska fysiken länge hade gått bet på var den fotoelektriska effekten. Den innebär att elektroner kastas ut från en metallyta som träffas av ljus. För att detta ska inträffa krävs att ljusets våglängd är kortare än ett visst kritiskt värde som är olika för olika metallytor.År 1905 förklarade Albert Einstein den fotoelektriska effekten. Enligt honom stöter Plancks ljuskvanta ut elektroner från metallytan. Det radikala i Einsteins teori var att dessa ljuskvanta beter sig som partiklar.Ytterligare bevis för att elektromagnetisk strålning i vissa situationer har partikelegenskaper fann den amerikanske fysikern Arthur Compton år 1922 när han studerade hur röntgenstrålning sprids när den stöter samman med elektroner. Strålarna beter sig som en partikelström.Även partiklar är vågorFysiken stod nu inför en besvärlig paradox: i de flesta situationer uppför sig ljuset som vågor, men ljusets energipaket, ljuskvanta, beter sig ibland som partiklar, s k fotoner. Partikelegenskaperna blir mer framträdande ju kortare våglängden är. Förvirringen blev inte mindre när man upptäckte att även partiklar, som t ex elektronen, ibland beter sig som vågor.Tiden var nu mogen för en fysikalisk teori där partikel- och vågegenskaper kunde förenas. En sådan fick världen i form av kvantfysiken, som alltsedan åren kring 1930 fortsatt att utmana intuitiva föreställningar och lett till många nya upptäckter.Upptäckten av ljusets dubbelnatur innebär inte att Fresnels vågteori är ute ur leken. I de flesta situationer dominerar ljusets vågegenskaper, och då fungerar vågteorin utomordentligt väl.Dessutom, genom att materien enligt kvantfysiken har vågegenskaper, kan stora delar av vågteorin även tillämpas på partikelstrålar. Till exempel kan Fresnels zonplattor användas till att fokusera partiklar.En lustig detalj i sammanhanget är att den lilla ljuspricken fått namn efter den man som inte trodde på dess existens – den är numera känd som ”Poissons fläck”. En annan kuriositet är att ljuspricken faktiskt hade observerats redan 1723 av den italienske astronomen Giacomo Maraldi, men detta förbisågs under lång tid och var alltså totalt okänt i Paris år 1818. Kanske hade Fresnels triumf annars blivit mindre dramatisk? Hans Starnberg är docent och universitetslektor vid institutionen för fysik och teknisk fysik, Göteborgs universitet och forskar om lågdimensionella ämnens struktur och egenskaper. hans forskning finansieras av vetenskapsrådet.