Analogia pomiędzy dźwiękiem i światłem

Zasadnicze odkrycie Tomasza Young’a w dziedzinie optyki polegało na wykazaniu, że zasada interferencji stosuje się i do światła. O wiele wcześniej filozof włoski Grimaldi dowiódł, że przy pewnych warunkach dwie cienkie wiązki światła, działając oddzielnie wytwarzają jasną plamkę na ścianie, razem zaś wzięte częściowo gaszą się wzajemnie i zaciemniają plamkę. Spostrzeżenie to było nader ważne; trzeba było jednak dopiero odkryć i geniusza Young‘a, aby znaleźć wyjaśnienie. Przebieg jego rozumowań stanie się nam stopniowo bardziej zrozumiały. Wiemy, że powietrze jest ściśliwe: pod działaniem ciśnienia może stać się gęstsze, przez rozprężenie – rzadsze. Widełki używane przy strojeniu fortepianów (kamerton), odpowiednio potrącone dźwięczą tak, że słyszymy je wszyscy; wielu z Was wie, że powietrze, którędy przechodzi dźwięk rozpada się na przestrzenie o powietrzu zgęszczonym i inne – z powietrzem rozrzedzonym. Te zgęszczenia i rozrzedzenia tworzą tak zwane fale dźwiękowe. Możemy sobie wystawić w powietrzu pokoju szereg takich fal; oraz że powietrze przesyła drugi szereg fal podobnych i to w takim stosunku względem pierwszych, iż zgęszczenie trafia na zgęszczenie, a rozrzedzenie na rozrzedzenie. Wynikiem takiej zgodności będzie dźwięk mocniejszy, aniżeli sprawiany przez każdy z obu szeregów fał w oddzielności. Możemy jednak wystawić sobie i taki stan rzeczy, kiedy zgęszczenie jednego układu fal trafia na rozrzedzenie w drugim. W tym razie (przy jednakowości pozostałych warunków) oba układy niszczą się zupełnie. Każdy z nich wzięty pojedynczo sprawia dźwięk; lecz oba razem nic nie dają. W taki sposób, dodając dźwięk do dźwięku, sprawiamy milczenie, podobnie jak Grimaldi w swym doświadczeniu otrzymał ciemność, dodając światło do światła.

Głębokie i efektywne badania nad dźwiękiem skierowały Young’a do badania światła. Objaśnił on spostrzeżenia Grimaldiego i rozszerzył je znacznie. Zastosował ze znakomitym powodzeniem teorię falową do objaśnienia barw cienkich płytek i powierzchni prążkowatych. Wykrył i objaśnił szeregi barw niedostrzeżone i nieznane przed nim. Wszystkie swe doświadczenia nad interferencją wytłumaczył na zasadzie założenia, iż światło jest ruchem falowym; przypuszczenie, że światło polega na poruszających się cząsteczkach nic nie objaśnia. Za czasów Huygens‘a i Euler’a przyjęto pewien ośrodek przenoszący fale. Newton robił zarzut, że gdyby światło polegało na falowaniu takiego ośrodka, cień nie mógłby istnieć. Fale, twierdził on, uginałyby się dokoła ciał nieprzezroczystych i sprawiałyby za nimi ruch świetlny, podobnie jak dźwięk obchodzi róg i bałwany na wodzie uginają się dokoła skały. Wykazano później, że uginanie się światła, o którym mówi Newton zdarza się istotnie, lecz fale odchylone znoszą się skutkiem interferencji. Young również wykrył zasadniczą różnicę pomiędzy fałami świetlnymi i dźwiękowymi. Gdyby powietrze, przez które przechodzą fale dźwiękowe, było widzialne, to dostrzeglibyśmy, że każda pojedyncza cząsteczka drga w tę i ową stronę w kierunku rozchodzenia się fali. Gdyby eter świetlny był widzialny, to dostrzeglibyśmy również, że każda pojedyncza cząsteczka wykonywa wychylenia w tę i ową stronę, lecz ruchy te jak wcześniej było powiedziane o cząsteczkach wody są prostopadle do linii rozchodzenia się. Drgania powietrza są podłużne, eteru – poprzeczne.

Najpospolitszy przykład interferencji fal dźwiękowych nastręczają dudnienia, sprawiane przez dwa niezupełnie zgodne tony muzyczne. Dwa zupełnie zgodne kamertony, potrącone, dają dźwięk, płynący gładko, bez chropowatości, jak gdyby jeden ton. Przez przymocowanie jednak do jednego kamertonu za pomocą wosku niewielkiego ciężarku zmuszamy go do drgania powolniejszego aniżeli drugi. Przypuśćmy, że jeden kamerton wykonywa 101 drgnień w czasie, w którym drugi czyni 100, i przypuśćmy że na początku zgęszczenia i rozrzedzenia, sprawiane przez oba kamertony, schodzą się. Przy 101-em drgnięciu szybszego kamertonu również będą się schodziły; kamerton ten wyprzedził drugi o jedno drgnięcie całkowite, czyli o całą falę. Krótkie zastanowienie wystarcza do zrozumienia, że przy 50-ym walnięciu kamertony drgają w przeciwnych kierunkach, jeden usiłuje sprawić zgęszczenie, drugi – rozrzedzenie; to też przy współczesnym działania obu dźwięk niknie, nastaje chwila milczenia. Zdarza się to wówczas, gdy jeden kamerton wyprzedził drugi o pól długości fali. Przy 101-ym drgnięciu, jak to już zaznaczyliśmy, następuje zgodność i dźwięk jest wzmocniony; przy 150-em dźwięk znów ginie. Tu jeden kamerton wyprzedza drugi o trzy pólfale. W ogóle fale wzmacniają się, gdy jeden szereg wyprzedza drugi o liczbę parzystą półfali, i znoszą się, skoro chodzi o nieparzystą. Używając dwu tak dobranych kamertonów, otrzymujemy te kolejne wybuchy dźwięku, poprzedzielane chwilami milczenia, którym nadajemy miano dudnień. Przez odpowiednie urządzenie możemy nadto za pomocą jednego dźwięku całkowicie zniszczyć drugi. Drgania obu ramion kamertonu, na przykład, niszczą się całkowicie w kierunku czterech określonych linii.

Wysokość dźwięku zależy jedynie od szybkości drgań, natężenie od ich obszerności. Czym jest wysokość dla ucha w akustyce, tym barwa dla oka w teorii falowej światła. Acz nie widziano nigdy fal świetlnych, oznaczono jednak ich długość. Istnienie ich doznaje stwierdzenia w ich działaniu, a z tych działań można dokładnie ich długość oznaczyć. Podobne oznaczenie wykonać można różnymi sposobami; otóż przy porównaniu różnych prób znaleziono najdokładniejszą zgodność. Zgodność ta stanowi oczy wiście jeden z najważniejszych punktów oparcia dla teorii falowej. Fale najkrótsze w widmie widzialnym są falami światła krańcowego fioletowego, najdłuższe – krańcowego czerwonego; inne barwy odpowiadają wysokości lub długości fali pośredniej. Długość fali światła krańcowego czerwonego jest taką, że 39,000 takich fal, ułożonych jedna za drugą, zajęłyby przestrzeń jednego cała; tę samą długość da 64,631 fal światła krańcowego fioletowego.

Szybkość światła, w liczbie okrągłej, wynosi 300,000 kilometrów na sekundę. Sprowadzając liczbę tę na cale i mnożąc otrzymaną cyfrę przez 39,000, dostaniemy liczbę fal światła krańcowego czerwonego w 300,000 kilometrach, co wynosi 460 bilionów. Wszystkie te fale w jednej sekundzie wpadają do oka i uderzają o siatkówkę w tylnej części jego. W podobny sposób znaleźć można, że liczba uderzeń, sprawiających wrażenie barwy fioletowej, wynosi sześćset osiemdziesiąt siedem bilionów na sekundę. Materia, drgająca z taką szybkością, wypełnia całą przestrzeń; fale tych rozmiarów rozchodzą się warstwami kulistymi z każdej gwiazdy z szybkością światła we wszystkich kierunkach. I jak w wodzie, tak i w eterze ruch każdej cząsteczki stanowi sumę algebraiczną ruchów mu udzielonych. Przy tym jeden ruch nie niszczy innych; gdyż jeżeli w jednym punkcie zachodzi zniszczenie, wynagradza to w zupełności wzmocnienie ruchu w innym. Każda gwiazda zachowuje w swym świetle swe niezmienione osobliwości, jak gdyby jedna tylko wysyłała drgania w przestrzeń.