Lapunknak egyik régebbi ($IX\mathrm{.})$ évfolyamában rövid áttekintést nyújtottunk azon különböző elméletekről, a melyeket a hő mivoltának megmagyarázása céljából alkottak a fizikusok. A mostani cikknek célja, hogy hasonló módon megismertesse a fényre vonatkozó elméleteket.
A dolog természetéből következik, hogy amióta a gondolkodó emberek fényjelenségek vizsgálatával foglalkoztak, ezeknek megmagyarázására már a legrégibb időkben szintén voltak képzeteik. Természetesen, amint ezen korban a hipotéziseknek egyáltalában más szerepük volt a tudományos kutatásban, ezeknek nem volt semmi befolyásuk az optika haladására. Így csak éppen megemlítjük, hogy pl. némelyek szerint a szemből bizonyos sugarak indulnak a tárgyak felé; mások szerint a szemből is s az illető tárgyból is jönnek egymás felé sugarak, melyek útközben találkoznak.
Ismertetésünket a XVII. században keletkezett kétféle hipotézis bemutatásával kezdjük; az egyiket a nagy Newton állította fel (1678.), a másik a híres hollandi fizikus, Huyghens nevéhez fűződik. (1690.)
A Newton-féle u. n. emanáció-elmélet szerint a fény bizonyos anyag, melyet a világító testek magukból nagy sebességgel kilöknek s amely a szembe jutva, ott a fényérzés okozója lesz.
Huyghens szerint a fény a fénylő test részecskéinek mozgása s a fény terjedése nem történhetik valami anyag kisugárzása által, mert ekkor nem jöhetne létre azon jelenség, hogy különböző irányokban haladó, egymással találkozó fénysugarak tovább haladhatnak, anélkül, hogy egymást akadályoznák. Hasonlóan ahhoz, ahogyan a hang terjed a levegőben, történik ilyen mozgás által a fény terjedése egy bizonyos, az egész teret töltő, végtelen ritka, rugalmas, hipotétikus anyagnak, az éter-nek közvetítésével. A fényforrás minden részecskéje átadja mozgását az éternek, amely mozgás, mint a hangnál, itt is gömbalakú ,,hullám"-okban terjed tovább. Ezen hullámok, a látóidegekhez jutva, azokban is mozgást hoznak létre s így okozzák a fénybenyomásokat.
A mozgás tovaterjedése az éterben ahhoz hasonlóan történik, mint ahogyan egymással érintkező rugalmas golyók esetében a szélső golyóval közölt mozgás átterjed egymásután a többire.
A fényforrás minden részecskéje létrehoz egy-egy hullámot, mely aztán tovább terjed az éterben s az éternek minden pontja a vele közölt mozgást a vele érintkező összes részecskéknek átadja. Ezért minden pont körül létrejön, mint középpont körül egy-egy hullám. Ezen u. n. elemi hullámok összetevődnek egy eredő főhullámmá.
Minden hipotézisnek próbája a kísérlet; amelyik a kísérleti eredményeket jobban meg tudja magyarázni s amelyik a kísérleti eredményekkel jobban megegyező következtetésekre alkalmas, azé a győzelem. Nagy vonásokban követni fogjuk a most bemutatott két elmélet közt lefolyt küzdelmet.
A Newton-féle elmélet szerint az egyes anyagok a fénysugarakat alkotó részecskéket már bizonyos távolságból vonzzák, a mely vonzás okozza a fénytörést s a fényelhajlást. A fényviszaverődést ezen hipotézis már nem magyarázhatta meg; ezen jelenség megfejtésére fel kellett tételezni, hogy az anyagok még taszító hatást is gyakorolnak a fénysugarakat alkotó részecskékre.
A színszórás jelenségének oka, hogy a különböző színű fénysugarak különböző nagyságú és erősségű részecskékből állanak; a legerősebb és legnagyobb részecskék a törőfelületeken legkönnyebben át tudnak hatolni s ezért a legkisebb törést szenvedik (a vörös színű sugarak), más színű sugarak nehezebben tudnak áthatolni és jobban megtöretnek. A törésnek ezen különbözősége folytán a nap sugarai, áthaladva a törő anyagon, szétválnak külön sugarakra. De mivel az egyes sugarak ereje és nagysága a törés alatt nem változik meg, amint a sugarak egyszer így szétváltak, többé ezt a jelenséget már nem lehet rajtuk létrehozni.
A színes gyűrűk keletkezésének megmagyarázása céljából Newton a fénysugarakat bizonyos tulajdonsággal ruházta fel. Feltételezte ugyanis, hogy ezeknek bizonyos hajlandóságuk van ahhoz, hogy valamely közeghez érve, egyes helyeken könnyebben visszaverődnek, más helyeken könnyebben megtörnek. Ezek a hajlandóságok egymással egyenlő, igen rövid időközökben váltakoznak; azaz ha valamely sugár a könnyű visszaverődés állapotában van, ugyanazon sugár tovább haladva, bizonyos idő múlva a törésre lesz hajlandó, még tovább haladva, ugyanannyi idő múlva ismét a visszaverődésre stb. Ezen intervallum az egyes színeknél állandó, de a különböző színekre nézve külnböző; legnagyobb a vörösnél, legkisebb az ibolyánál. Helyezzünk pl. egymásra egy sík üveglapot s egy síkconvex lencsét; a fénysugarak jöjjenek az üveglap felől A mint a sugarak erre ráesnek, aszerint amint a törésre, vagy a visszaverődésre hajlandó állapotban vannak, vagy megtöretnek, vagy visszaveretnek. Felülről nézve a jelenséget (visszavert fényben), az üveglap azon helyein, a hol a sugarak áthaladnak, a szem sötét foltot lát, ahol visszaveretnek, világos gyűrűt.
Hasonló módon magyarázhatók meg az elmélet szerint a vékony lemezek, szappanbuborékok stb. színei.
Ismerjük az elhajlás jelenségét. Tudjuk, hogy napfénnyel végezve a jelenséget, színes szalagokat észlelhetünk, míg homogén fény esetében váltakozó sötét-világos stráfokat. Az előbbi esetben a jelenség könnyen megmagyarázható azzal a föltevéssel, hogy a különböző színek nem egyenlő mértékben hajlíttatnak el. A homogén fény alkalmazásakor előálló jelenség megfejtésére azonban ez nem volt elég; Newton azt az újabb feltevést fűzte az eddigiekhez, hogy minden egyes fénysugár a testektől taszítást és elhajlást szenved és a sugarak itt is bizonyos hajlandósággal bírnak, aminek következtében majd nagyobb, majd kisebb mértékben hajolnak el. Ennek alapján a magyarázat hasonlóan adható meg ahhoz, amit a színes gyűrűk jelenségeinél láttunk.
Az akkoriban felfedezett kettős törés jelenségének megmagyarázása az elméletnek újabb kibővítését tette szükségessé. Newton feltételezi, hogy a rendellenes törés valami erőnek, vagy dispozíciónak, hajlandóságnak, képességnek az eredménye, a mely bizonyos irányok, oldalak^{${}^{*}$} felé úgy a fénysugarakban, mint a kristályrészecskékben meg van. A kristályrészecskékben tehát bizonyos oldalak (a rendellenes törés oldalai) irányában meg van az a képesség, hogy a fénysugarakat ezen oldalak felé tereljék. De a sugaraknak is vannak különböző oldalaik: két szembelevőnek megvan a képessége a rendellenes törés előidézésére, a másik kettőnek nincs. A kristályrészecskék a fénysugarat csak akkor törik meg rendellenesen, ha ennek a rendkívüli törésre disponált oldala a kristályrészecskéknek ugyanezen képességgel felruházott oldala felé van fordulva, úgyhogy itt a sugár ezen oldala felé meglevő képesség s a kristályrészecskékben levő képesség olyan módon hatnak egymásra, mint két mágnes pólusai.
Ezen hipotézis segítségével könnyen meg volt magyarázható azon jelenség is, hogy két romboéder alakú kettős pátot egymásra helyezve, azok bizonyos helyzetében a felső romboéderből jövő sugarak változatlanul mennek át az alsón, bizonyos esetekben pedig ezeket a sugarakat az alsó romboéder törésükre nézve megváltoztatja (Polarizáció). Ha u. i. a sugár oldalai mindkét kristály részecskéinek oldalaihoz viszonyítva ugyanazok, akkor mindkét kristályban ugyanazon módon töretnek; ha a sugárnak azon oldala, mely az egyik kristálynak rendellenes törésű oldalai felé fekszik, a másiknak hasonló oldalával ${90}^{\circ }$-ot alkot, akkor a sugár a két kristályban ellenkező értelemben töretik meg.
Az emanációs elmélet szerint minden test eredetileg átlátszó; az átlátszatlanságnak oka az, hogy a testek belsejében levő pórusokban levegő van, amely a fénysugarakat sokszorosan reflektálja s ez által ezeket kioltja. Valamely anyag elegendő vékony lemezei mindig átlátszók; az átlátszatlan test a felületén átlátszó, vékony lemezekből áll; ezek az egyes testeknél különböző vastagok és ezért különböző színű fénysugarakat vernek vissza. A visszavert sugarak adják az illető test színét.
A Huyghens-féle elmélet a fénysugarak visszaverődését, törését oly módon tárgyalja, ahogyan azt ma is tanuljuk az optikában. Mindazon jelenségeknek magyarázását azonban, amelyeknél valami színes tünemény áll elő, teljesen mellőzi s épp úgy nem tudja megfejteni az említett polarizáció jelenségét sem.
A kettős törés jelenségére nézve feltételezi, hogy a fényhullámok a kristályban két különböző hullámra bomlanak; az egyik hullám gömbalakú s ebben a terjedési sebesség minden irányban ugyanakkora; a másik hullám alakja forgási ellipsoid s ebben a sebesség a főtengely irányában nagyobb, mint a másik tengelyében. Ezen utóbbi hullám hozza létre a rendellenes törésű sugarat, az előbbi a rendes törésűt.
Ha most összehasonlítjuk az ismertetett két elméletet, megállapíthatjuk a Newton-félének azon nagy előnyét, hogy az akkor ismert összes fényjelenségeknek magyarázatát meg tudta adni. Ezzel szemben nagy hátránya az elméletnek, hogy jóformán minden egyes fényjelenség megmagyarázásánál újabb hipotézisekkel kellett kibővíteni az addigiakat. A fénysugarak különböző nagyságú és erejű anyagi részecskékből vannak összetéve, amely részecskékre a testek bizonyos vonzást és taszítást gyakorolnak. A fénysugaraknak bizonyos hajlandóságuk van arra, hogy könnyen megtöressenek, vagy e helyett könnyen visszaveressenek; ugyancsak ilyen hajlandóság az oka annak, hogy majd kisebb, majd nagyobb mértékben hajolnak el. Minden fénysugárban vannak oldalak, melyek ismét bizonyos képességgel vannak felruházva a rendellenes törés előidézésére. Ezeknek a kiegészítő hipotéziseknek meg van az a káros következésük, hogy részben olyan nehezen összeegyeztethető feltevések kerültek be az elméletbe, mint a testeknek a fénysugarakra gyakorolt vonzó és taszító hatása; részben pedig a fénysugarakat mindenféle titkos, megmagyarázhatatlan eredetű hajlandósággal, képességgel ruházzák fel. Mind olyan körülmények, melyek nem válnak az elmélet előnyére.
Huyghens hipotézisének elsőbbséget biztosítana nagyobb egyszerűsége. De ez az egyszerűség az elmélet ezen fokán annak a nagy hiánynak volt a következése, hogy fényjelenségek jelentékeny csoportját egyáltalában nem tudta megfejteni.
Ehhez hozzájárult egy egészen más fajta körülmény: Newton-nak az akkori tudósvilágban élvezett, mondhatni korlátlan tekintélye, melynek következtében az övével ellenkező állítást, nézetet az őt követő fizikusok már a priori elvetettek s amely tekintélye az évek múltával csak növekedett. Így azután Huyghens munkáját, melyben elméletét kifejtette, még figyelemre is alig méltatták, az új eszmék fejlesztésével, tökéletesítésével pedig hosszú időn át senki sem foglalkozott.
Az 1800. évben jelent meg az angol Young-nak munkája, mely a hang- és fényjelenségekkel foglalkozva, nagyfontosságú felfedezést tartalmaz. Ezen felfedezés a hullámmozgások interferenciája elvének megállapítása. Az elvre magára kutatásai vitték rá. Young megállapította, hogy ha két hullám találkozik a tér valamely pontjában, akkor erre pontra mindegyik hullám úgy hat, mintha csak egyedül gyakorolná a hatást; az egyes hullámoktól gyakorolt hatások összege adja meg az eredő hatást. Ha két hullám találkozik, az összetevődésük által létrejött eredő mozgás akkor a legerősebb, ha az összetevő hullámok egyenlő fázisúak, akkor a leggyöngébb, ha ellenkező fázisúak; ezen esetben az eredő mozgás zérus, ha a két hullám mozgás intenzitása egyenlő.
Ezen elvet a fényjelenségre alkalmazva, következik, hogy két fényhullám a találkozáskor egymást erősítheti, gyöngítheti is, sőt sötétséget is hozhat létre.
Az interferencia elvének megállapítása most már lehetővé tette a Huyghens-féle elmélet hiányának, melyet felemlítettünk, legalább részben a pótlását. A vékony lemezeknél, színes gyűrűknél keletkező színjelenségek igen egyszerű magyarázatot kapnak. A föllépő világos-sötét gyűrűk, illetőleg sávok úgy jönnek létre, hogy a fényforrásból jövő két fénysugár közül egyik a lemez felső, másik az alsó lapjáról visszaverődik s a visszaverődés után interferál. Mivel az alsó lapról visszavert sugár hosszabb utat tesz meg, mint a felsőről reflektált, a találkozáskor a kettő már nem lesz általában ugyanazon fázisban és így egymást erősíthetik is, gyengíthetik is. Ha pl. a lemez vastagsága $\frac{1}{2}$ hullámhossz, akkor az alsó lapról visszavert fénysugár $1$ hullámhosszal marad el a másiktól, s így a találkozáskor a kettő egymást erősíti; ha $\frac{1}{4}$ hullámhossz, akkor a fáziskülönbség a találkozáskor $\frac{1}{2}$ hullámhossz s így a két fénysugár egymást megsemmisíti. Ugyanezen alapon adja meg az elhajlásnál, észlelhető jelenség magyarázatát is. Itt a tüneményt a nyílás élén visszaverődött és egy direkt áthaladó fénysugár interferenciája okozza.
A színek különbözőségét Young a rezgés-számok különbözőségéből magyarázza és ezeket ki is számítja. Newton ugyanis kísérletileg már megállapította, hogy a színes gyűrűknél a levegőrétegek vastagságai úgy aránylanak, mint a megfelelő színes gyűrűk sugarainak négyzetei. Felhasználva ezen szabályt, a következő számértékeket kapja: