Valguse olemus ja kiirus

Murdumisseaduste avastamine andis kiirteoptikale korraliku mate-maatilise baasi. See lubas edasi arendada läätsede teooriat ja otsida teid nende täiustamiseks, eelkõige sfääriliste pindade asendamise teel ellipsoid-, paraboloid- või hüperboloidpindadega (vt. V § 1.4).

Valguskiirt käsitleti geomeetrilise objektina, kuigi Fermat postulee-ris, et valgussignaal levib piki kiirt lõpliku kiirusega. Huvi tõus op-tika vastu viis peagi uute avastusteni, mida oli kiirteopop-tika raames raske mõista.

1665. a. ilmus Bologna jesuiitide kolleegiumi filosoofia- ja mate-maatikaprofessori Francesco Maria Grimaldi (1618–63) mahukas (535 lk.) traktaat „Physicomathesis de lumine, coloribus et iride“

(„Füüsikalis-matemaatiline õpetus valgusest ja vikerkaarest“). Raa-mat algas uue nähtuse – valguse kõrvalekaldumise (valguskiire pain-dumise) – kirjeldamisega. Grimaldi nimetas seda nähtust difrakt-siooniks (ld. diffringere – osadeks murdma). Avastus oli nähtavasti pooljuhuslik ja tingitud sellest, et Grimaldi töötas väga kitsaste

valguskimpudega. Kitsa pilu abil diafragmeeritud valguskimp andis piluga paralleelsest esemest – peenikesest pulgast (nõelast) – varju, mis osutus laiemaks, kui seda lubanuksid geomeetrilised kaalutlu-sed, lisaks ümbritsesid varju veel värvilised ribad – sinine varjule lähemal, punane sellest kaugemal. Teise, eelmisega paralleelse pilu läbimisel oli ekraanil ikka valgustriip, mis oli taas laiem, kui pida-nuks olema valguse sirgjoonelise leviku korral, ja siingi olid triibu servad värvilised. Grimaldi pakutud seletus, et tõkke või tõkkesse tehtud ava taga levivad valguslained nii nagu pinnalained vette visatud kivi ümber, jäi ebalevalt poolikuks ja difraktsioonikatsed ei kujunenud tol ajal veel laineoptika experimentum crucis’eks.

Samal 1665. aastal avaldas ka Robert Hooke (vt. § 4.4), kes kahe aasta eest oli kutsutud Kuningliku Seltsi kuraatoriks-eksperimen-taatoriks, traktaadi „Micrographia“. Ta oli täiustanud mikroskoo-pi, saavutades umbes 40-kordse suurenduse. Töös esitas ta oma mikroskoopiliste uuringute tulemusi. Ta oli avastanud organismide rakulise struktuuri ja mitmesuguste taimede (till, porgand jt.) rak-kude kirjeldamisel hakkaski kasutama terminit „rakk“ (ingl. cell – algtähendus: (kloostri-, vangi-)kong). Eriti olulisi tulemusi sai ta õhukeste seebi- ja õlikilede uurimisel mikroskoobi all: ta tegi kind-laks kile värvuse sõltuvuse valguse langemisnurgast ja värvuste järgnevuse nurga muutumisel. Nähtuse põhjuseks pidas ta kile esi- ja tagapinnalt peegeldunud valguse koosmõju ning püüdis näh-tust laineteoreetiliselt põhjendada. Viimane üritus jäi küündima-tuks, kuna ta ei suutnud mõista interferentsi olemust, s.t. võima-lust, et lained võivad liitumisel üksteist nii tugevdada kui ka nõr-gendada.

Veidi hiljem (1672) kordas Hooke Grimaldi difraktsioonikat-seid. Need ei lisanud küll midagi uut eelkäija tulemustele, kuid and-sid Hooke’ile ikkagi põhjuse vaidlusteks prioriteedi üle. Märkigem, et Hooke oli andekas lennuka fantaasiaga erakordselt mitmekülgne uurija-eksperimentaator, kuid seejuures püsimatu loomuga ja viis harva oma töö loogilise lõpuni. Sageli sattus ta teiste uurijate kirju-tistes probleemidele, mida oli ise mingil määral käsitlenud. Olles veel haiglaselt tundlik, ei suutnud ta prioriteedivaidlustes vältida teravusi, mis harilikult tõid kaasa isikliku vaenu. Hooke’i

mitme-külgsust iseloomustavad ka tema arvukad leiutised: vedrukell, areo-meeter, miinimumtermoareo-meeter, sademetemõõtja jms.

1669. a. kirjeldas Kopenhaageni ülikooli professor Rasmus Bart-holin (1625–98) Islandi pao „imelist ja veidrat omadust“ – valguse kaksikmurdumist. Ta täheldas, et üks kiirtest allub murdumissea-dusele murdumisnäitajaga 5 : 3, teine kiir, mida tema nimetas „lii-kuvaks kiireks“ (nüüd ebatavaliseks kiireks), aga mitte. Samuti tegi ta kindlaks, et pao kristallis on selline suund, milles kaksikmurdu-mine puudub.

1690. a. ilmus Leipzigis Huygensi „Traité de la lumière“ („Trak-taat valgusest“). Ta oli töö lõpetanud ja esitanud Pariisi akadee-miale juba 1678. a., kuid jättis selle esialgu publitseerimata, pida-des oma prantsuse keelt kehvapoolseks. See traktaat oli valguse laineteooria esimene süstemaatiline esitus. Osutanud, et nii valgus kui ka heli levivad lainetena, rõhutas Huygens, et valguslainete kandjaks ei saa olla õhk, sest valgus, erinevalt helist, levib ka õhu-tühjas ruumis (nt. vaakumkupli all). Siit tuli füüsikasse kogu uni-versumit täitva valguslainete levimiskeskkonna „eeterliku aine“ ehk

„valguseetri“ idee. Edasi formuleeris ta elementaarlainete ja nende mähispinna printsiibi: „Lõpmata arv laineid, mis väljuvad helen-duva keha erinevatest punktidest, ühinevad suurel kaugusel meie aistingu jaoks üheks laineks, millel on küllalt jõudu, et olla tajutav“.

Asjaolu, et valguslainete teele asetatud tõkke taga ei märka me val-gust, seletas Huygens väheveenva väitega, et seal puudub elemen-taarlaineid tajutavaks muutev mähispind.

Valguse difraktsiooni, mida tegelikult peetakse laineoptika üheks põhiargumendiks, Huygens ei käsitlenud. Meenutame, et ka Gri-maldi ja Hooke piirdusid siin vaid jämeda, vedeliku pinnalainete taolise mudeliga. Huygensi lained olid vaid levivad lainefrondid.

Tolle aja uurijatel, ka Newtonil ja Hooke’il, puudusid laine detail-semad karakteristikud, eelkõige lainepikkus (sagedus), seetõttu ei suudetud formuleerida interferentsiprintsiipi ega anda adekvaatset tõlgendust õhukeste kilede värvustele. Küll andis Huygens oma trak-taadis elegantse laineteoreetilise põhjenduse valguse peegeldumis- ja murdumisseadustele. Seejuures selgus, et aine murdumisnäitaja jaoks ei tule kasutada mitte Descartes’i, vaid Fermat’ seost n = v₁/v₂.

Loomuliku seletuse sai ka valguse kaksikmurdumine: sel juhul sõl-tub lainete levimise kiirus suunast, mis muudab elementaarlainete frondid ellipsoidaalseteks, mistõttu tekib kaks mähispinda. Jälgides analoogiat helilainetega, pidas Huygens valguslaineid pikilaineteks, samal seisukohal oli ka Grimaldi, kuna Hooke eelistas ristlaineid.

17. sajandi teise poole põnevaim ja ootamatuim avastus tuli astronoomiast. 1660. aastate lõpul märkas Louis XIV õukonna itaal-lasest astronoom Giovanni Domenico Cassini (1625–1712), et Jupi-teri kaaslaste tiirlemisperiood on pikem siis, kui Jupiter on Maast kaugemal, ja ka vastupidi. Mõned aastad hiljem (1676) selgitas noor Taani astronoom Ole Rømer (1644–1710) neid Jupiteri kuu liiku-mise ebakorrapärasusi valguse lõpliku kiirusega. Leides vaatlusand-metest, et valgus läbib Maa orbiidi läbimõõdu umbes 22 minutiga, sai ta valguse kiiruseks 215 000 km/s. Rømeri tulemusel oli nii pooldajaid kui ka vastaseid. Viimased taandusid alles pool sajandit hiljem (1729), kui Inglise astronoom James Bradley (vt. VI § 3.1) avastas astronoomilise aberratsiooni ja selgitas seda valguse kiiruse ja ümber Päikese liikuva Maa kiiruse vektoriaalse liitumisega.

§ . magnetismi- ja elektriõpetuse alged