16-6 Prečo sa láme svetlo?

16-6 Prečo sa láme svetlo?

Prečo mení svetelný lúč svoj smer, keď prechádza zo vzduchu do vody, či do skla? Táto otázka je veľmi dôležitá, ak si chceme objasniť otázku čo svetlo vlastne je. Newton si myslel, že svetlo je prúdom veľmi malých častíc, ktoré vypúšťa zdroj svetla, a tieto častice letia priestorom veľmi veľkou rýchlosťou. On vysvetľoval lom tým, že na čiastočky svetla, ktoré prechádzajú rozhraním dvoch látok, pôsobí na rozhraní určitá príťažlivá sila (obr. 16.10a). Vektory na obrázku ukazujú, ako si Newton predstavoval lom svetla. Ak z  pozorovania vieme, že ako sa láme svetlo, a prijmeme, že táto sila je príťažlivá, potom vektory nakreslené na obrázku sú dané jednoznačne. Na obrázku v→v označuje rýchlosť svetla vo vzduchu, Δv→ zase zmenu rýchlosti spôsobenú príťažlivou silou (je zrejmé, že rýchlosť sa touto zmenou zvyšuje). Výsledná rýchlosť v skle je označená v→s.

Dôležitý je záver, v zmysle Newtonovho výkladu lomu svetla, že rýchlosť svetla v prostredí s veľkým indexom lomu musí byť väčšia, než vo vzduchu, či vo vákuu⁵, nakoľko sila, pôsobiaca na častice svetla – sila, ktorá ich vťahuje do opticky hustejšieho prostredia – zvyšuje rýchlosť častíc.

Christiaan Huygens⁶ bol opačného názoru. V prvom rade sa domnieval, že svetlo je vlnenie, ktoré sa šíri v prostredí, ktoré prestupuje všetko („svetový éter“). Jeho šírenie sa podobá tomu, ako sa šíria zvukové vlny vo vzduchu. Je dôležité poznamenať, že ak svetlo vysvetľujeme podľa Huygensovej domnienky ako vlnenie, rýchlosť šírenia svetla v opticky hustejšom prostredí (v prostredí s väčším indexom lomu) je nižšia, než vo vákuu – čo je opakom Newtonovho výsledku. K pochopeniu tejto predpovede si predstavme, že svetelné vlny prichádzajúce postupne k povrchu skla predstavujú malé vozidlá (tanky) zarovnané do línie kolmej k smeru ich postupu. Tieto vozidlá postupujúce na lepšom teréne dorazia k hranici horšieho (piesočného) terénu, kde dokážu postupovať len pomalšie (obr. 16.10b). Velitelia jednotlivých tankov chcú udržať pravidelné línie tankov (kolmé na smer postupu). Tanky, ktoré dorazili na piesčitý terén sa však spomalia oproti tankom, ktoré sú ešte na dobrom teréne. Aby dokázali zachovať línie kolmé na smer postupu, musia tanky vstupujúce na piesčitý terén mierne zatočiť doprava od pôvodného smeru.

Potrebné zatočenie sme schopní aj vypočítať. K tomu použijeme Huygensov princíp, podľa ktorého každý bod vlny (vlnoplochy) je súčasne zdrojom nového vlnenia (ktoré sa šíri z tohoto bodu). Na obrázku 16.11 je celý rad rovinných vlnoplôch, tie nasledujú za sebou vo vzdialenosti rovnej λv vlnovej dĺžke vlnenia. Bod A – v ktorom sa jedna vlnoplocha práve dotýka skla – a bod B patria k tej istej vlnoploche, ale B je od skla vzdialený na jednu vlnovú dĺžku, a vzájomne sú vzdialené tiež na 1 vlnovú dĺžku (λv). Kým vlnenie z bodu B dorazí do bodu C na skle, vlnenie z  bodu A sa dostane len do kratšej vzdialenosti |KA|, teda do bodu K, preto vlnoplochu v skle určujú body K a C. Nakoľko |BC| a |AK| sú vzdialenosti prekonané vlnením za ten istý čas, pomer rýchlostí vlnení v dvojici prostredí (vv a vs) je rovný pomeru vzdialenosti ktoré prejdú za rovnaký čas, teda

Z obrázku je zrejmé, že |AK| = |AC|sin ⁡<!-- FUNCTION APPLICATION --> β a |BC| = |AC|sin ⁡<!-- FUNCTION APPLICATION --> α, odkiaľ

Teraz vidíme, že podľa vlnovej teórie Huygensa je relatívny index lomu dvoch prostredí rovný pomeru rýchlostí svetla v týchto prostrediach. Keď vieme, že rýchlosť šírenia svetla vo vákuu (n = 1,00) je 3,00 × 108 m/s, potom v diamante (n = 2,42) je rýchlosť šírenia svetla
3,00 × 108∕2,42 = 1,24 × 108 m/s.

Francúzsky fyzik Léon Foucault⁷ upravil v roku 1850 Fizeauho zariadenie otáčajúcimi sa zrkadlami, zmeral rýchlosť šírenia svetla vo vode a zistil, že je výrazne menšia, než vo vzduchu. Tento jednoduchý experiment rozhodol sto rokov trvajúcu neistotu: Huygensova predstava bola správna, Newton sa mýlil.