Hlavným hrdinom príbehu prepojenia svetla a elektrických a magnetických javov, druhého veľkého zjednotenia vo fyzike, je škótsky fyzik James Clerk Maxwell.
O prvé zjednotenie sa postaral sir Isaac Newton (1643 – 1727), keď v roku 1687 zákonmi mechaniky zjednotil pozemské a nebeské deje. Takmer o dvesto rokov neskôr ďalší vedec z Britských ostrovov prišiel na to, že správanie sa svetla možno odvodiť zo zákonov popisujúcich elektrinu a magnetizmus.
Častice či vlny?
O povahe svetla uvažovali už antickí Gréci, ale – podobne ako v predchádzajúcich dieloch tejto série – z pohľadu modernej vedy sa úvahy o svetle začali až neskôr. Spomeňme preto iba Euklida (asi 365 – 300 pred n. l.), ktorý prišiel s myšlienkami reprezentácie svetla tenkými lúčmi, priamočiareho šírenia svetla a použitia geometrie v optike. V 17. storočí boli známe mnohé zákony optiky, ako napríklad zákon odrazu na rovinných a zakrivených zrkadlách alebo zákon lomu, ale podstata svetla nebola dobre preskúmaná. Na svete boli dve veľmi odlišné predstavy – časticová a vlnová. Časticovú teóriu svetla ako prvý v modernej vede vyslovil francúzsky matematik Pierre Gassendi (1592 – 1655), vlnovú francúzsky filozof a matematik René Descartes (1596 – 1650). Isaaca Newtona, ktorý významne prispel k pochopeniu vlastností svetla v druhej polovici 17. storočia, oslovila práve časticová teória svetla a aj vďaka jeho autorite bola prevažujúcou hypotézou viac ako sto rokov. Súperiace teórie vysvetľovali rôzne pozorované optické zákony. Hlavný rozdiel medzi nimi bol v rýchlosti šírenia sa svetla v látkach. Časticová teória predpokladala, že sa svetlo šíri v opticky hustejšom prostredí rýchlejšie ako vo vzduchu, vlnová naopak.
Upresňovanie rýchlosti
Prvým, komu sa podarilo dokázať, že sa svetlo nešíri priestorom okamžite, bol dánsky astronóm Ole Rømer (1644 – 1710). V rokoch 1671 až 1676 venoval veľa úsilia pozorovaniu zákrytov Jupiterových mesiacov. Zistil, že v rôznych častiach roka trvajú zákryty rôzne dlho. V čase, keď sa Zem k Jupiteru približuje, trvajú kratšie, ako keď sa od neho vzďaľuje. O. Rømer si uvedomil, že to možno vysvetliť konečnou rýchlosťou svetla. Kým je mesiac v tieni Jupitera, Zem sa k nemu priblíži, a preto prvé lúče svetla zo znovu osvieteného mesiaca musia k pozorovateľovi prejsť kratšiu dráhu. Z Rømerových údajov vypočítal rýchlosť svetla holandský fyzik Christiaan Huygens (1629 – 1695). Hodnota, ktorú dostal, 215 000 km/s, síce nie je veľmi presná, ale už vtedy naznačila, o aké obrovské číslo ide. Oveľa presnejšiu hodnotu získal o pol storočia neskôr, ešte vždy astronomickými metódami, anglický astronóm James Bradley (1693 – 1762). V rokoch 1725 až 1728 sa snažil odmerať hviezdnu paralaxu.
Paralaxu síce neobjavil, ale našiel iný pohyb hviezd. Vysvetlil ho tak, že pri pozorovaniach musíme ku konečnej rýchlosti svetla zobrať do úvahy aj rýchlosť Zeme. Tomuto javu sa hovorí aberácia svetla a zo svojich údajov J. Bradley vyrátal rýchlosť svetla 303 000 km/s. Jedným objavom sa mu podarili hneď dve veci. Definitívne dokázal, že Zem nie je nehybná a výrazne spresnil hodnotu rýchlosti svetla. Na pozemské merania rýchlosti svetla, ktoré by vedeli overiť aj hypotézu o rýchlosti svetla v hustejšom prostredí, si však budeme musieť počkať.
Problematický éter
Obe súperiace teórie svetla mali svoje problémy. Časticová teória musela na vysvetlenie optických javov postupne pripisovať časticiam svetla ďalšie a ďalšie vlastnosti, napríklad špeciálny hranatý tvar častíc. Problémom vlnovej teórie bolo, že svetlo na svoje šírenie potrebovalo médium. Podľa antického elementu, ktorým mali byť tvorené nebeské telesá, mu Ch. Huygens dal meno éter. Mal vypĺňať celý vesmír, musel vnikať do látok a telies, ale nesmel ovplyvňovať ich pohyb.
Tomu by sa ešte dalo veriť, ale svetlo by sa muselo éterom šíriť ako priečne vlnenie podobne ako vlny na gitarovej strune. To je však možné iba v tuhých látkach, nie v plynoch a kvapalinách. Obrovská rýchlosť šírenia sa svetla si vyžadovala éter niekoľko miliónkrát tuhší ako oceľ, čo sa zdá byť v rozpore s vnikaním do telies. Na veľké prekvapenie mnohých sa však ukázalo, že svetlo má predsa len vlnové vlastnosti! Dokázali to pokusy britského polyhistora Thomasa Younga (1773 – 1829) z roku 1804 a francúzskeho fyzika Léona Foucaulta (1819 – 1868) z roku 1850. T. Young dokázal, že svetelné lúče interferujú, navzájom sa zosilňujú alebo rušia podobne ako zvukové vlny alebo vlny na vodnej hladine. L. Foucault sofistikovaným experimentom dokázal, že svetlo sa vo vode pohybuje pomalšie ako vo vzduchu. Rovnakým experimentom odmeral rýchlosť svetla vo vákuu (298 000 km/s), čo je na úrovni modernej hodnoty. Problém s podivnými vlastnosťami éteru však zostal. Vedci sa ho rôznymi spôsobmi snažili obísť, ale v roku 1905 ho Albert Einstein vyriešil tým, že éter neexistuje. Ale to už je iný príbeh. Tu je dôležité, že od roku 1850 vedci vedeli, že svetlo sú priečne vlny a veľmi presne poznali ich rýchlosť.
Leidenská fľaša
Čo s tým má však elektrina a magnetizmus? Na prvý pohľad nič. Ľudia si boli tisícročia vedomí rôznych elektrických a magnetických javov, ale hlbšie ich neštudovali a nehľadali medzi nimi prepojenia. Starovekí Egypťania poznali elektrické ryby, Táles (asi 624 – 548 pred n. l.) vo svojich spisoch spomína, ako jantár šúchaný vlnou priťahuje drobné predmety; ľudia vedeli o schopnosti niektorých kusov hornín priťahovať železné predmety. Magnetizmu sa dostalo praktického využitia pred elektrinou, keď na začiatku druhého tisícročia Šen Kuo (1031 – 1095) popísal magnetický kompas. Na konci 12. storočia bol kompas z magnetitu bežným navigačným prostriedkom aj na európskych lodiach. Systematické štúdium elektrických a magnetických javov však bolo veľmi pomalé, lebo vedci dlho nevedeli naakumulovať a uskladniť väčšie množstvo náboja a ani ho nevedeli kontrolovane uvoľniť. Situácia sa zmenila v polovici 18. storočia. Najskôr v roku 1744 nemecký fyzik Ewald von Kleist (1700 – 1748) a po ňom holandský vedec Pieter van Musschenbroek (1692 – 1761) v roku 1746 objavili prvý kondenzátor. Podľa pôsobiska Holanďana dostal názov leidenská fľaša. V upravených podobách ide o sklenú fľašu s kovovou vrstvou na oboch stranách skla, ktoré fungujú ako elektródy. V pôvodnej verzii bola fľaša iba naplnená vodou a pri nabíjaní fungovala ako elektróda ruka človeka, ktorý fľašu držal.
Voltov článok
Verejné predstavenia rôznych elektrických javov oslovili amerického obchodníka Benjamina Franklina (1706 – 1790). Najdôležitejší z mnohých objavov, ktoré za krátku vedeckú kariéru (1747 – 1754) spravil, bol dôkaz, že všetky elektrické javy majú ten istý pôvod. Počas búrky sa mu pomocou šarkana podarilo nabiť leidenskú fľašu, ktorá bola na nerozoznanie od fliaš nabitých nábojom z iných zdrojov. Druhý významný nástroj pre experimentátorov vynašiel taliansky fyzik Alessandro Volta (1745 – 1827). V roku 1799 objavil opakované zapojenie medených a zinkových diskov, medzi ktorými sa nachádzal kus látky namočenej v slanej vode. Na koncoch tejto sústavy sa chemicky indukoval náboj a po pripojení vodiča ním prechádzal prúd. A. Volta neskôr zdokonalil svoj vynález zmenou tvaru a usporiadania kovových elektród a nahradením slanej vody zriedenou kyselinou sírovou. Na svete bola prvá elektrická batéria. Sériovým zapojením viacerých článkov sa dali dosiahnuť vysoké napätia, čo viedlo k mnohým objavom v chémii a začiatkom technologického využitia elektriny.
Faradayov prínos
Na začiatku 19. storočia bolo medzi vedcami všeobecné očakávanie, že sa podarí nájsť nejaký súvis medzi elektrickými a magnetickými javmi. Už námorníci totiž pozorovali, že v búrkach, pri úderoch bleskov, prestávajú kompasy správne fungovať. Ako prvý našiel súvis dánsky fyzik Hans Ørsted (1777 – 1851). V roku 1820 pozoroval vychýlenie magnetky po priblížení k vodiču s elektrickým prúdom. Nasledovali tri desaťročia veľmi plodného výskumu. Magnetické silové účinky medzi dvoma vodičmi s prúdom študovali experimentálne aj matematicky mnohí, najmä francúzski vedci, ako najdôležitejšieho spomeňme Andrého-Mariu Ampèra (1775 – 1836). Doplnili tak prácu anglického fyzika Henriho Cavendisha (1731 – 1810) a francúzskeho fyzika Charla Augustina Coulomba (1736 – 1806), ktorí nezávisle ešte na konci 18. storočia experimentálne objavili vzťah pre elektrickú silu medzi dvomi nábojmi. Ten teraz nesie meno Francúza – Coulombov zákon. Po experimentálnej stránke však v našom príbehu zohrá kľúčovú úlohu práca anglického vedca Michaela Faradaya (1791 – 1867). Keď sa v roku 1821 dozvedel o Ørstedových výsledkoch, sám začal pracovať na spojitosti elektrických a magnetických javov. V roku 1831 po prvý raz pozoroval jav, ktorý je známy ako elektromagnetická indukcia. Súčasnými slovami: zmena elektrického poľa vytvára magnetické pole. Faradayov veľký prínos však bol priamo v zavedení konceptu poľa. Vedci pred ním si elektrinu a magnetizmus predstavovali ako interakciu na diaľku, priamo medzi nábojmi alebo prúdmi. M. Faraday bol však zástancom interakcie nablízko a vzdialené objekty medzi sebou podľa neho interagovali prostredníctvom poľa. Predstavu siločiar povýšil na fyzikálnu realitu a na základe mnohých ďalších experimentov formuloval aj zákon elektromagnetickej indukcie.
Maxwellove rovnice
Na scénu prichádza James Clerk Maxwell (1831 – 1879). Je to ten istý vedec, ktorý sa v prvom článku série objavil v súvislosti s formulovaním štatistickej fyziky a objavom atómov. V rokoch 1862 až 1865 v sérii prác publikoval rovnice, ktoré teraz nesú jeho meno. Fyzikálne princípy, ktoré rovnice popisujú, boli známe, no J. Maxwell si uvedomil matematický význam Faradayovej myšlienky polí a rovnice nepísal pre silové účinky medzi nábojmi a prúdmi, ale priamo pre polia. Rovnice jasne ukazovali, ako elektrické a magnetické polia medzi sebou súvisia. J. Maxwell tiež ukázal, že z nich vyplýva existencia priečnych vĺn, pri ktorých sa elektrické a magnetické polia navzájom generujú a šíria priestorom. Keď J. Maxwell vyčíslil rýchlosť ich šírenia, dostal s veľkou presnosťou rovnakú hodnotu ako Foucault pre rýchlosť svetla. Svetlo sú elektromagnetické vlny a optika je riešením Maxwellovych rovníc! Na prijatie tejto hypotézy bolo dôležité experimentálne potvrdiť jej novú predpoveď, existenciu elektromagnetických vĺn. Netrvalo to dlho a v roku 1887 nemecký fyzik Heinrich Hertz (1857 – 1894) objavom rádiových vĺn potvrdil Maxwellovu hypotézu a tým aj druhé veľké zjednotenie v dejinách fyziky.
Mgr. Juraj Tekel, PhD.
Katedra teoretickej fyziky FMFI
UK v Bratislave
Foto Pixabay a wikipédia