پيروزي نظريه موجي نور

نظريه دانه اي نيوتن هرچند بعضي از سئوالات را پاسخ مي گفت، اما باز هم پرسش هايي وجود داشت كه اين نظريه نمي توانست براي آنها جواب قانع كننده اي ارائه دهد. مثلاً چرا ذرات نور سبز از ذرات نور زرد بيشتر منحرف مي شوند؟ چرا دو دسته اشعه ي نور مي توانند بدون آنكه بر هم اثر بگذارند، از هم بگذرند؟

اما بر اساس نظريه موجي هويگنس، دو دسته اشعه ي نوراني مي توانند بدون آنكه مزاحمتي براي هم فراهم كنند از يكديگر بگرند. هويگنس نمي دانست كه نور موج عرضي است يا موچ طولي، و طول موج هاي نور مرئي را نيز نمي دانست. ولي چون نور در خلاء نيز منتشر مي شود، وي مجبور شد محيط يا رسانه حاملي براي اين انتشار اين امواج در نظر بگيرد. هويگنس تصور مي كرد كه اين امواج توسط اتر منتقل مي شوند. به نظر وي اتر محيط و مايع خيلي سبكي است و همه جا، حتي ميان ذرات ماده نيز وجود دارد.

نظري هويگنس نيز بطور كامل رضايت بخش نبود، زيرا نمي توانست توضيح دهد كه چرا سايه ي واضح تشكيل مي شود، يا چرا امواج نور نمي توانند مانند امواج صوت از موانع بگذرند؟

نظريه موجي و دانه اي نور بيش از يكصد سال با هم مجادله كردند، اما نظريه دانه اي نيوتن بيشتر مورد قبول واقع شده بود، زيرا از يكطرف منطقي تر به نظر مي رسيد و از طرف ديگر با نام نيوتن همراه بود. با وجود اين هر دو نظريه فاقد شواهد پشتوانه اي قوي بودند. تا آنكه بتدريج دلايلي بر موجي بودن نور ارائه گرديد

لئونارد اويلر فكر امواج دوره اي را تكميل كرد، همچنين دليل رنگ هاي گوناگون را مربوط به تفاوت طول موج آنها دانست. و اين گام بلندي بود. در سال 1800 ويليام هرشل آزمايش بسيار ساده اما جالبي انجام داد. وي يك دسته اشعه ي نور خورشيد را از منشور عبور داد و در ماوراي انتهاي سرخ طيف حاصل دماسنجي نصب كرد. جيوه در دما سنج بالا رفت، بدين ترتيب هرشل تابشي را كشف كرد كه به تابش زير قرمز مشهور شد.

در همين هنگام يوهان ويلهلم ريتر انتهاي ديگر طيف را كشف كرد. وي دريافت كه نيترات نقره كه تحت تاثير نور آبي يا بنفش به نقره ي فلزي تجزيه و رنگ آن تيره مي شود، اگر در وراي طيف، در جاييكه بنفش محو مي شود، نيترات نقره قرار گيرد حتي زودتر تجزيه مي شود. ريتر نوري را كشف كرد كه ما اكنون آن را فوق بنفش مي ناميم. بدين ترتيب هرشل و ريتر از مرزهاي طيف مرئي گذشتند و در قلمروهاي جديد تابش پا نهادند. در اين هنگام دلايل جديدي براي موجي بودن نور توسط يانگ و فرنل ارائه گرديد.

در سال 1801 توماس يانگ دست به آزمايش بسيار مهمي زد. وي يك دسه اشعه ي باريك نور را از دو سوراخ نزديك بهم گذارانيد و بر پرده اي كه در عقب اين سوراخ نصب كرده بود تابانيد. احتمال مي رفت كه اگر نور از ذرات تشكيل شده باشند، محل تلاقي دو دسته اشعه اي كه از سوراخها عبور كرده اند، بر روي پرده روشن تر از جاهاي ديگر باشد. اما نتيجه اي كه يانگ به دست آورد چيزي ديگر بود. بر روي پرده يك گروه نوارهاي روشن تشكيل شده بود كه هر يك به وسيله ي يك نوار تاريك از ديگري جدا مي شد. اين پديده به سهولت با نظريه موجي نور توضيح داده شد.

نوار روشن نشان دهنده ي تقويت امواج يكي از دسته ها به وسيله ي امواج دسته ي ديگر است. به گفته ي ديگر، هر جا كه دو موج همفاز شوند، بر يكديگر افزوده مي شوند و يكديگر را تشديد مي كنند. از طرف ديگر نوارهاي تاريك نشان دهنده ي جاهايي است كه امواج در فاز مقابلند، در نتيجه يكديگر را خنثي مي كنند. اگر چه يانگ بارها تاكيد كرد كه برداشت هايش ريشه در پژوهش هاي نيوتن دارد، اما به سختي مورد حمله قرار گرفت و نظريات وي خالي از هر گونه ارزش تلقي شد. با اين وجود يانگ طول موج هاي متفاوت نور مرئي را اندازه گرفت.

در سال 1814 ژان فرنل بي خبر از كوششهاي يانگ مفاهيم توصيف موجي هويگنس و اصل تداخل را با هم تركيب كرد و اظهار داشت: ارتعاشات يك موج درخشان را در هر يك از نقاط آن مي توان به عنوان مجموع حركت هاي بنيادي دانست كه به آن نقطه مي رسند. بر اثر انتقادهاي شديد طرفداران نيوتن، فرنل تاكيدي رياضي يافت. وي توانست نقش هاي پراش ناشي از موانع و روزنه هاي گوناگون را محاسبه كند و به طور رضايت بخشي انتشار مستقيم نور را در محيط هاي همسانگرد و همگن توضيح دهد. بدينسان انتقاد عمده ي طرفداران نيوتن را نسبت به نظريه موجي بي اثر كند. هنگاميكه فرنل به تقدم يانگ در اصل تداخل پي برد، هرچند اندكي مايوس شد، اما نامه اي به يانگ نوشت و احساس آرامش خود را از هم راي بودن با او ابراز داشت.

قبل از ادامه ي بحث در مورد كارهاي فرنل لازم است موج طولي و موج عرضي را تعريف كنيم. در مجو طولي جهت انتشار با جهت ارتعاش يكي هستند. نظير نوسان يك فنر. اما در موج عرضي جهت ارتعاش بر جهت انتشار عمود است، نظير موج بر سطح آب كه نوسان و انتشار عمود بر هم هستند.

فرنل تصور مي كرد امواج نور، امواج طولي هستند. اما تصور موج طولي نمي توانست خاصيت قطبش نور را توجيه كند. فرنل و يانگ چندين سال با اين مسئله درگير بودند تا سرانجام يانگ اظهار داشت كه ممكن است ارتعاش اتري همانند موجي در يك ريسمان عرضي باشد. ولي امواج عرضي انها در يك محيط مادي منتقل شوند. از طرفي ديگر با توجه به سرعت نور ( كه در آنزمان مقدار آن را نمي دانستند ولي مي دانستند كه فوق العاده زياد است)، اتر نمي توانست گاز يا مايع باتشد و بايد جامد و در عين حال خيلي صلب باشد حتي مي بايست صلب تر از فولاد باشد. از اين گذشته اتر مي بايست در تمام مواد نفوذ كند، يعني نه تنها در فضا، بلكه بايد در بتواند گازها، آب، شيشه و حتي در چشم ها نفوذ كند، زيرا نور وارد چشم نيز مي شود. علاوه بر اين اتر نبايستي هيچگونه اصطكاكي داشته باشد و مانع بهم خوردن پلك ها گردد. با وجود اين با تمام مشكلاتي كه اتر داشت براي توجيه موجي بودن نور مورد قبول واقع شد. بدين ترتيب در سال 1825 نظريه موجي نور مورد قبول واقع شد و نظريه دانه اي نيوتن طرفداران چنداني نداشت .