A fény.
A természettudomány képviselői, a tudós szakemberek, megfogalmazták a laikus érdeklődők számára, a fogalmak realisztikus jelentését. Ezek a dióhéjban összeállított meghatározások a lexikonokba kerülnek, azzal a céllal, hogy mi is könnyen értesülhessünk róluk. Így a fény lexikális fogalmi jelentései:
„fény: az elektromágneses tér állapotának időbeli változása, amely sugárzásként terjed, vákuumban kb. 300 000 km/s sebességgel. A fény kettős jellegű anyagi jelenség: egyrészt a kontinuum sajátságú anyagfajta, az elektromágneses tér hullámszerűen terjedő állapotváltozása, amit a hullámhossz (λ), illetve a frekvencia (v) jellemez; másrészt az anyagi részecske (korpuszkulum) jellegű fotonok más anyagfajtákból való keletkezésével (kisugárzás), illetve más anyagfajtákká való átalakulásával (elnyelés) függ össze. A fotonokat tömegük és energiájuk (illetve impulzusuk) jellemzi.”
Természettudományi lexikon.
Ez a fénymeghatározás nem azt magyarázza el nekünk, hogy a fénynek lehetséges hullámzás és sugárzás jellegű tulajdonsága is, hanem egy időben próbálja értelmezni a két jellemzőséget. Próbál ugyan utalni arra, hogy a fény sugárzás jellege, a fényelnyelés és a kisugárzás jelenségeinél észlelhető, de hiába, ha már az első mondatában a sugárzás terjedéseként határozta meg a fényt. Ráadásul, a foton tömegértékét és impulzusmomentumát emeli ki, mikor minden fizikakönyv nulla tömegértékűként említi a fotont.
„fény: az elektromágneses sugárzásnak az a tartománya, amely látásunk útján közvetlenül érzékelhető. Hullámhossza kb. 4*10-5- 7.5*10-5 cm. Terjedési sebessége vákuumban: 300 000 km/s.”
Kislexikon.
Ez egy abszurd megfogalmazás, amely a sugárzás és a hullámzás jelenségeit teljesen összeboronálja, összemossa a fény magyarázata által. Olyan sugárzásról magyaráz ugyanis, amelynek hullámhossza van.
„A fény egy adott frekvencia- és hullámhossz-tartományba eső elektromágneses hullám, azonban a fényjelenségek leírásához gyakran a fénysugár fogalmát használjuk. Egy ilyen sugár valójában egy egyenes, amelyik a fény által megtett utat jelzi egy adott irányban. „
Park-Usborn Fizika enciklopédia
Ez a meghatározás egyértelműen utal arra, hogy a fény elektromágneses hullám, amelynek értelmezése során vezették be a fénysugár fogalmát, hogy ábrázolni lehessen a fény terjedési útját. A fizikakönyvekben, a geometriai leképezhetőség miatt, sugár irányultságú jelleget nyer a fény, hogy szemléletesebben lehessen ábrázolni és elmagyarázni a terjedését. Éppen úgy, ahogy a gyermekek vonalakat rajzolnak a nap köré, ez által szimbolizálva azt, hogy süt. Ettől azonban, a fény még elektromágneses hullám marad számunkra. Ezt a fényt oktató és ábrázoló könyvekben olykor le is írják. És végül, de koránt sem utolsó sorban, kizárólag az ifjú generációk fizikai előmenetelét segíti elő egy kedvenc idézet.
„A látható tartományba eső elektromágneses hullám, a hullámhossza 400-nm és 770-nm közé esik, az infravörös és az ultraibolya sugárzások közé. A fény egyaránt rendelkezik részecske és hullámtulajdonsággal, az elemi fényenergia-adag, vagy más szóval kvantum a foton. A fényterjedési sebessége, (mint minden elektromágneses hullámé) légüres térben 300 000 km/s.”
Fizika Érettségire Felvételire ( Segítőkész)
Ez a könyv pedig, arra hivatott, hogy a fiatal felvételizőknek és érettségizőknek nyújtson segítséget, a fény mibenlétét illetően. Inkább ne tenné. Ha egy ilyen meghatározás alapján, egy fiatal érdeklődő, képes megérteni a fény mibenlétét, akkor már önmagát is becsapja. És persze ahány szakkönyv létezik, annyiféle „jobbnál-jobb” fénymeghatározás létezik.
A fénysugár kifejezést két okból használja a természettudomány. Az egyik ok az, hogy a kvantumelméletben a fény kettős tulajdonságokkal rendelkezik. Sugár és hullám természetű. Sugártermészetét a lézer és a fotócella technikákban hasznosítják, amikor a fényelnyelés és a fénykisugárzás elveit taglalják és hasznosítják. A kvantumelmélet azonban, még a fizikusok által sem teljesen elfogadott elmélet. A természetes látható fény tehát, számunkra, továbbra is kizárólag a hullám tulajdonságaival érvényesül, ahogy azt a klasszikus fizika tárgyalta. Ezért, nincsen értelme annak, hogy a látásunk fényérzékelő folyamatába, indokolatlanul belekeverjük a fény sugárzásként megismert jellegét is.
A szemünkkel, mint fényérzékelő szervünkkel ugyanis, a fényhatás csak felszíni kölcsönhatásba lép. Nem hatol be fénysugárként a szemünk belsejébe. Amennyi fénnyel naponta kölcsönhatásban áll a szemgolyónk, már régen kihízta volna a helyét akkor, ha a fény, mint sugár, behatolna a szemünk belsejébe. Amikor a fényhatás sugárként hat a szemünkbe, és áthatol a szemfelület határán, akkor roncsolja annak sejtes szövetszerkezetét. Ez a roncsoló hatás a szem gyulladását idézi elő. Akkor fordulhat elő, ha túl erős fényforrásba, vagy például, a hegesztés fényébe nézünk közelről.
A fotont, amit a fizika nulla tömegértékű fénykvantum részecskeként kezel, és üres térben fénysebességgel, vagyis 300 000 km/s sebességgel halad, értelmes ember még elképzelni sem képes. A nulla tömegű részecske ugyanis, olyan részecske lenne, ami nem is létezik, mert nincsen kvantitatív kiterjedése. Így természetesen, nem képes a fény kvantuma sem lenni. Mivel pedig, a fény, mint hatás, 300 000 km/s sebességgel terjed, ez számomra azt jelenti, hogy valamilyen közeg közvetíti azt, hullám formájában. Az oszthatatlanok alaphalmaza, alapközegként közvetíti a fény hatását. Ezt az oszthatatlan alapközeget nevezte a régi tudós ember éternek, a mai pedig, foton-közegnek nevezhetné. Az oszthatatlan alapelemek persze, nem száguldanak, hanem csupán rezegnek állandó jelleggel, mert sem alátámasztásuk, sem pedig, felfüggesztésük nincsen. Így bármilyen mágneses jellegű hullám kialakítására azonnal alkalmasak. Majd az anyagi közegekkel kölcsönhatásba lépve válnak ezek a hullámok elektromossá is, ahol az elektronok funkcionális működését közvetlenül befolyásolják. Így válik számunkra a fény, elektromosan is mágnesessé, azaz elektromágneses hullámmá.
Az anyag mindig mozog. Külső mozgását láthatjuk, amikor a helyváltoztatása során észleljük a helyzetének módosulását. A testek ilyen irányultságú mozgásállapot változásaival foglalkozott Newton. Az anyagok belső mozgását pedig, csak műszeres, vagy logikai úton vagyunk képesek figyelemmel kísérni. Ha pedig, figyelembe vesszük azt a fizikai tényt, hogy az üvegen kívül, szinte minden anyagi test valamilyen rács, vagy kristályrács szerkezet által, különböző sűrűségű rögzített térfogatú halmaz, akkor jogos igényként merül fel a kérdés, hogy az objektív alkotóelemei, miféle halmaz közegében végeznek belső mozgásformát? A rács vagy kristályrács szerkezetek ugyanis, csak az atomos és molekuláris egységeik egymáshoz viszonyított stabilitását biztosítják, de azokon belül, az atomok nukleonjainak a mozgását nem képesek számottevően befolyásolni. Így a protonok, neutronok és elektronok folyamatosan rezegnek. Ugyan miben?
Az anyagi halmazok atomjai igen szellős képződmények. Az elektronok olyan parányiak, hogy a legjobb mikroszkóppal sem láthatóak. Nagy sebességgel keringenek az atommagok körül, és csak felhőnek látszanak. Még a hidrogén esetében is, ahol csak egy elektron kering. Az atom objektív alkotóelemeinek együttes térfogata pedig, tízezerszer kisebb, mint az általuk kialakított teljes atomtérfogat. Vagyis, a proton, a neutron és az elektron együttes térfogata, csak egy tízezred része a teljes atomtérfogatnak. Így a maradék atomtérfogatot ugyanaz a halmaz tölti ki, amelyik az atomon kívül is van. Az pedig, a régi fizikus emberek étere, az oszthatatlan alaptömegű pontok halmaza, amit ma a fotonok közegének hívhatnánk. Ezek az oszthatatlanok folyton rezegve alakítják ki a mágneses hullámokat. Az anyagokkal kölcsönhatásba lépve válnak elektromosan mágnesessé, ahol az elektronokra hatva befolyásolják az anyagok halmazának minőségét, vagyis az adott anyag sűrűségét. Így az oszthatatlanok hatása elektromágneses hullámként érvényesül az anyagi halmazokon belül.
Földünkön a természetes fényt, a csillagok észlelése biztosítja, legfőképpen a Napunk fénye, mint a mi központi csillagunké. Így a Nap a mi alapvető fényforrásunk. A fizika azt tanítja, hogy az anyagi testek színét az adja, hogy a nap fényét „visszaverik” számunkra. A Nap fénye ugyanis, teljes, összetett fehér fény. A testekről pedig, csak annyi fény „verődik” vissza, amennyit már nem képesek a testek elnyelni. De vajon, mit jelent ez a fényelnyelés?
A fény, mint elektromágneses hullám, mágneses információként terjed a szubjektív alaphalmaz oszthatatlanok által felépített abszolút alapközegében. Anyagi test halmazában azonban, kölcsönhatásba lép, az anyagi halmaz atomjainak elektronjaival. Megváltoztatja azok rezgési frekvenciáját, mégpedig az általa közölt mágneses hullám frekvenciája szerint. Ha az anyagi test létezésének alapfrekvenciájához képest növekszik az elektronjainak a frekvenciája, akkor az anyagi test gerjedtebb állapotba kerül. Ez a test hőmérsékletének emelkedésével jár. Ha pedig, a hőmérséklet túlnő egy anyagi minőség által meghatározott értéken, akkor halmazállapot változás jön létre. Ha pedig, az anyagi test létezésének alapfrekvenciájához képest alacsony a mágneses alaprezgés, az fékező hatásával csökkenti az elektronok alapfrekvenciáját, amely egy kritikus érték alatt, az anyagi test halmazának széteséséhez vezet.
Így az elektromágneses hatás két-irányban funkcionál, mint közeges ellenállás. Mágneses összetevője befolyásolja az elektronok működését, míg az elektronok rezgése, visszahat a mágneses tulajdonságokat közvetítő alaphalmazra. Ez ezért működik így, mert az elektronok keringése rezgésnek minősül a szubjektív alaphalmaz közegében, amely pedig, homogén térnek minősül az elektronok keringő centrális mozgásához viszonyítva. Mivel pedig, az elektronok centrális körmozgást végeznek, a számukra homogén mágneses térben, ezért mindenképpen egymás ellenhatásai. Így a mágneses hatásváltozás elektromos változást idéz elő az anyagi halmazokban, míg az elektromos hatás változása, mágneses változást kényszerít ki a szubjektív alaphalmazban. Ezért az elektromos és mágneses jellegek mindig derékszöget zárnak be, ha grafikonon ábrázolják az együttes elektromágneses hatást. Ez a kettős hatás érvényesül az induktív elektromágneses folyamatokban.
Így az anyagi testek színét, nem csupán az adja, hogy mennyi fény verődik vissza a testfelületükről, hanem főképpen az, hogy az anyagi test mágneses gerjesztése során, milyen módosult elektromos állapotba került. A test ugyanis, a módosult elektromos állapota alapján idéz elő „visszavert” elektron alapú rezgést, azaz mágneses hullámot, amely visszahat a testen kívül. És ezt a visszahatást érzékeli a szemünk az adott test színének. Így minden test másodlagos fényforrásnak minősül, hiszen az elsődleges fényforrás hatására, megmutatja nekünk, hogy éppen milyen szintű, a belső sűrűségét biztosító gerjedt állapota. Ha ez a test például, egy vasdarab, és tovább gerjesztjük a fény után, hő hatásával, akkor a szürke színe szép lassan vörös lesz, majd fehér. Amikor fehéren izzik, akkor már elsődleges fényforrásként funkcionálva birtokolja a teljes, összetett fényt. Ahogy veszít a hőfokából, úgy változik vissza a fénye előbb vörösre, majd lassan elszürkül ismét. Minden állapotában, az aktuális gerjedtségének megfelelő színt közvetíti felénk. A Nap természetes fényének gerjesztő hatását túlfokozva pedig, már teljesen mindegy a test számára az, hogy süt e rá a Nap, vagy nem.
Prizmán átengedve a fényforrás fényét, nem képes azt sugárzásként megtörni, ezért alkotóelemeire bontja, amelyek különböző hullámhosszúságú színeket képviselnek. A prizma általában három-élű üvegtest, amelynek a határfelületére érkező fény többnyire nem merőleges. Így a prizmában kialakuló belső hullámok tovaterjedési iránya, a prizmatest fénnyel érintkező oldalának a dőlésszöge alapján alakul ki. Az ugyanis, a fehér fény számára derékszögű továbbterjedési irányt határoz meg. Csakhogy, a prizmának nincsen rácsszerkezete, folyadéknak minősül, ezért az összetett fényeket képes különböző hullámhosszúságú színekre bontani. Ezek a színek persze, a prizma ellentétes dőlésű oldalain jelennek meg a szemlélő számára, egymástól határozottan elkülönülve. Ez a jelenség bizonyítja azt, hogy a természetes fény nem sugár, hanem hullám. Ezeket a részszíneket egy másik prizma segítségével újra egyesíteni lehet teljes, fehér fénnyé. Ez a hullámbontás és a hullámösszegzés lényege. Ezt a jelenséget észlelhetjük a szivárvány tüneményénél is. A prizma üveg, amely rácsszerkezet nélkül szilárdul meg, ezért folyadéknak minősül. A szintén prizmaként működő vízcseppek, vagy buborékok szétválogatják számunkra a Nap fényét különböző színekre, és mi ezeket látjuk. Az emberi szem pedig, a legtökéletesebb prizma, mert a testekről „visszaverődő” módosult másodlagos fényhullámokat is képes alkotóelemeire bontani, és a receptor-érzékelőik segítségével továbbítani elektromos úton, az észlelt mágneses alapú hatásváltozásokat.
Vörös, Narancs, Sárga, Zöld, Kék, Indigó, Ibolya, ezek a szivárvány alapszínei. Ez a természetes lineáris színskála, amely nem teljes, mert a gyakorlati valóságunkban jóval több színárnyalat képez átmenetet a szivárvány alapszínei között. Körülbelül tízezer színárnyalatot használunk, amelyek csak a hullámhosszúságukban különböznek. Minél hosszabb a hullámhosszúsága egy fényinformációnak, annál kisebb az energiatartalma. A rövidebb hullámhosszúságú fényinformációk pedig, nagyobb energiaértéket szállítanak. A kevert színek úgy képződnek, hogy több különböző hullámhosszúságú szín hulláma halad egy időben ugyanabba az irányba. Minden hullám, miközben egyik közegből egy másik közegbe érkezik, a közeghatár felületén kölcsönhatás útján alakít ki új hullámot a második, fogadó-közegben. Ez a kölcsönhatás megváltoztathatja a hullám hosszúságát akkor, ha optikailag ritkább, vagy sűrűbb közegben folytatja a hatásközvetítést. És megváltoztatja a terjedés irányát akkor, ha a kölcsönhatási felület nem merőleges. A homorú kölcsönhatási felület szétszórja a benne kialakuló hullámokat, míg a domború fókuszálja, azaz összetereli azokat.
Lencsék olyan prizmák, amelyek kristályszerkezetet nem képező üvegidomokként közvetítik, a fény által biztosított másodlagos fényforrások képi információit. A lencsék osztályozását a homogénnek mondható fényhatás érkezése, azaz fogadása alapján kell kidolgozni. A lencsék másik oldala csak a másodlagos kép kialakításában játszik fő szerepet.
SS = Sík – Sík – Síküveg - Biplán - --> I I
SD = Sík – Domború - Plankonvex --> I )
SH = Sík – Homorú - Plankonkáv --> I (
DS = Domború – Sík - Fordított Plankonvex --> ) I
DD = Domború – Domború - Bikonvex --> ( )
DH = Domború – Homorú - Konvexkonkáv --> ( (
HS = Humorú – Sík - Fordított Plankonkáv --> ) I
HD = Homorú – Domború - Konkávkonvex --> ) )
HH = Homorú – Homorú - Bikonkáv --> ) (
Az elsődleges kölcsönhatási oldalon, ahonnan a fény 300 000 km/s sebességgel érkezik, megtörténik a hatásközvetítés. A lencsék anyagi szerkezetében hullámokat alakít ki a ráeső fény. Ezeknek a hullámoknak a terjedési irányát, minden esetben, a fény hatását fogadó lencsefelület idomulása határozza meg. Üvegben ez mindig 90 fokos szöget zár be a lencsefelülettel. A lencséből kilépő fény terjedési irányát pedig, a második lencsefelület idomulása határozza meg. Az első lencsefelület fogadja a fény hatását, homorú idomulása esetén, szétszórja a lencsében kialakuló hullámokat, míg domború idomulású lencsefelület esetén, összetereli, fókuszálja azokat. A második lencsefelület közvetíti a lencse után a fény hatását ismét a levegő közegébe. Ennek a lencsefelületnek az idomulása határozza meg azt, hogy milyen kép látványa alakul ki a lencse mögött. A második domború lencsefelület ugyanis, szétszórja a fényhatás közvetítését, nagyítva ez által a látszólagos képet, míg a homorú összetereli azokat, azaz fókuszálva kicsinyíti a látszólagos képet. Az összetett lencsékben pedig, minden érintkező lencsefelületnél új kölcsönhatás alakul ki, amely fokozatonként változtatja a lencsékben terjedő fény hullámainak az irányát.
Sima ablaküveg esetén egyenes irányú, azaz a legrövidebb úton halad keresztül, a benne kialakult fényhullám. Az üveg anyagi szerkezetében csak 200 000 km/s sebességgel halad a fényhatás, majd az üveg második, túlsó oldalán kölcsön hatva, ismét a levegő közegével, újra 300 000 km/s sebességű fényhatás keletkezik. Azért, mert az üveg belsejében rövidebb hullámhosszúságú hullám képes csak kialakulni, mint a levegőben. Anyagi közegben tehát, a fény hatásának a frekvenciája nem változik, csak a hullámhosszúsága, mégpedig az anyagi sűrűség viszonylatában. A lencsék centrális közegekként fókuszálják, vagy szétszórják, a bennük kialakuló különböző hosszúságú hullámokat. A gyűjtőlencséket pozitív lencséknek hívják, míg a szórólencséket, negatívlencséknek.
Az optikában észlelt lencsehibák abból erednek, hogy a fényt, mint sugárzást kezelik, amely egyenesen halad keresztül a lencseszerkezeteken, mint a puskagolyó. Az optikai lencsék leképezési hibái nem mások, mint a képalkotásuk során jellegzetes hibák, képtorzítások. Eddig tudományosan tisztázatlan okból másodlagos kép, vagy képek, alakulnak ki, amelyek miatt a látszólagos kép foltos, szellemképes, torz. Ezzel szemben, a valóság az, hogy minden lencsefelület másképpen irányítja a lencsében kialakult fény hullámhatásait. Összetett lencse esetén pedig, ez a fényhatás terjedésének irányváltása többlépcsős folyamat. Ha tehát, az optikában, figyelembe veszik az itt leírt tulajdonságaikat a lencséknek, akkor a vélt lencsehibák automatikusan megszűnhetnek. Mert a hibát nem a lencsék okozzák, hanem az értelmezésük.
Az üvegtükrök is prizmák, esetükben is hasonló a helyzet. Az egyenes tükör üvegfelületén kölcsönhatásba lép a levegőn keresztül érkező fény. A tükör üvegközegében pedig, az üvegre jellemző hullámok alakulnak ki, amelyek a tükör hátsó, foncsorozott oldalán, alakítanak ki fordított látszólagos képet. Az a foncsorrétegről igen kevés veszteséggel fordított irányú hullámokat alakít ki, majd ismét kölcsönhatásba kerül a levegő közegével. Majd csak ez után érkezik a szemünk felületéhez a képi fényinformáció. A fémtükrök azért tökéletesebbek, mert ugyanolyan kevés veszteséggel irányítják vissza a fény által szállított képi információkat, de az esetükben nem kell a fényhatásnak még az üvegközegen belül is, módosult hullámhosszúságú hullámokat kialakítani. Tükrök esetén csak egy aktív felületről beszélhetünk. Ugyanazon a tükörfelületen alakul ki a beeső elsődleges, és a „visszavert” másodlagos kölcsönhatása is a fénynek. Így a domború tükör széttereli a fény hullámait, fordított nagyított képet alkotva, míg a homorú tükör, összetereli a fény hullámait, fordított kicsinyített képet alakítva ki.
A fény tehát, elektromágneses hullámként terjed anyagi halmazokon belül is. Közegváltáskor mindig az új közeg sűrűségének megfelelő hullámhosszúságú hullám alakul ki, míg a frekvencia megmarad, és az új közeg felületének íve határozza meg a fényhatás további terjedésének az irányát. Többszörös közegváltás esetén, többszörös haladási irány és hullámhossz változás alakulhat ki. A közeghatárokon történő közegváltás látványa olyan, mintha a fény útja megtörne, de ezt csak a vizuális szemlélő látja így. A valóság az, hogy mindig olyan irányú terjedési út látható, amit a kölcsönhatási felület dőlésszöge határoz meg. A hullámot ugyanis, megtörni nem lehet. Ezért a fénytörés jelensége csak látszat, amit a fény sugárként való terjedésének elmélete hívott életre.
Matécz Zoltán
2010.05.26.
matecz.zoltan@gmail.com
