Томас Юнг оптикада неге пионер саналады

Ғылым тарихында өз замандастары толық бағалай алмаған, уақытынан әлдеқайда озық ашулар жасаған адамдар аз емес. Томас Юнг — осындай тағдырдың ең жарқын мысалдарының бірі. XVIII және XIX ғасырлардың тоғысында өмір сүрген британдық ғалым Исаак Ньютонның беделіне қарсы шығып, жарықтың толқындық табиғатын дәлелдеді. Бұл кезеңде жарықтың корпускулалық теориясы мызғымас шындық сияқты қабылданатын. Юнгтың атақты қос саңылау тәжірибесі бүгінде бүкіл әлемдегі физика оқулықтарына енген және табиғаттағы ең негізгі құбылыстардың бірін көрсету үшін әлі күнге дейін қолданылады. Сонымен бірге оптика оның ғылыми қызметінің жалғыз бағыты болған жоқ. Юнг медицина, египтология, механика және түс теориясы салаларында да маңызды үлес қосты. Оның не себепті жарық туралы ғылымның пионері атанғанын түсіну — батыл гипотезадан физиканы түбегейлі өзгерткен эксперименттік дәлелге дейінгі жолды бақылау деген сөз.

Ғалымның интеллектуалдық бейнесі

Томас Юнг 1773 жылы Англиядағы Милвертон қаласында дүниеге келді және бала кезінен ерекше білім қабілетін көрсетті. Он төрт жасқа келгенде ол латын, грек, көне еврей, араб және парсы тілдерін қоса алғанда оннан астам тілде оқи алатын болды. Бұл қабілет кейін Египет иероглифтерін зерттеу кезінде маңызды рөл атқарды. Замандастары оны «феномен» және «бәрін білетін соңғы адам» деп атады. Бұл атау оның ғылыми қызығушылықтарының энциклопедиялық кеңдігін көрсетеді. Ол өмір сүрген дәуірде ғылымдағы тар мамандану әлі қалыптасып үлгермеген болатын.

Юнгтың жан-жақтылығы үстірт білім емес, бірнеше саладағы терең ғылыми құзыреттілік болды:

• медицина және физиология — ол медицина докторы дәрежесін алып, көздің линзасының жұмыс механикасын зерттеді және көру аккомодациясының негіздерін түсіндіруге үлес қосты;
• физика және оптика — қос саңылау тәжірибесі мен жарықтың толқындық теориясы оның негізгі ғылыми мұрасына айналды;
• египтология — Жан-Франсуа Шампольоннан тәуелсіз түрде Розетта тасын зерттеп, бірнеше иероглифтің фонетикалық мағынасын анықтады;
• механика — материалдардың серпімділік модулі оның есімімен аталады және қазіргі инженерлік есептеулерде кең қолданылады;
• музыкатану — ол акустиканы және музыкалық дыбыс жүйесін дәл ғылыми әдістермен зерттеді.

Юнгты оптикаға әкелген жол ерекше болды. Ол адамның көз құрылымын зерттеу барысында түсті көрудің физикалық табиғаты туралы сұрақ қойды. Дәл осы сұрақ оны жарықпен жүргізілген тәжірибелерге алып келді.

Ньютон дәстүрі және оның шектеулері

Юнгтың батылдығын түсіну үшін оның қандай ғылыми беделге қарсы шыққанын білу қажет. Исаак Ньютон XVII ғасырдың соңында жарықтың корпускулалық теориясын ұсынды. Бұл теория бойынша жарық — көзден немесе жарық көзінен тарайтын өте ұсақ бөлшектер ағыны. Ньютонның беделі британ ғылымында соншалықты зор болды, оның теорияларына қарсы шығу ғылыми беделге қауіп төндірумен тең еді.

Корпускулалық теория жарықтың түзу сызық бойымен таралуын, шағылу және сыну заңдарын жақсы түсіндірді. Алайда кейбір құбылыстарды бұл теориямен толық түсіндіру мүмкін болмады. XVII ғасырда Христиан Гюйгенс жарықтың толқындық теориясын ұсынған болатын. Ол жарықтың дифракциясын — жарықтың кедергілерді айналып өтуін — түсіндіре алды. Бірақ оның идеялары кең таралмады, себебі олар Ньютонның беделіне қайшы келді.

Корпускулалық теорияның әлсіз тұстары бірнеше түсіндірілмеген құбылыстардан көрінді:

• жұқа қабықшалардың түстері — сабын көпіршіктеріндегі немесе судың бетіндегі май қабатындағы түрлі-түсті жолақтар корпускулалық теориямен толық түсіндірілмеді;
• жарықтың мөлдір емес заттардың шеттерінде дифракциялануы — жарық және қараңғы жолақтардың пайда болуы бөлшектердің тек түзу бағытта қозғалады деген идеяға қайшы келді;
• кристалдардағы қос сәулелік сыну — бір жарық сәулесінің екіге бөлінуі корпускулалық модельде түсіндірілмеген күйде қалды.

Дәл осы түсіндірілмеген құбылыстар Юнгтың назарын аударып, жаңа теория құруға негіз болды.

Интерференция принципі және оның теориялық негізі

Юнгтың негізгі теориялық жетістігі жарыққа толқындардың суперпозиция принципін қолдану болды. 1801 жылы ол Корольдік қоғам алдында «Жарық пен түстер теориясы туралы» баяндамасын ұсынды. Онда ол замандастарына батыл көрінген идея айтты: жарық көлденең толқындардан тұрады және екі жарық шоғы кездескенде бір-бірін күшейтуі немесе әлсіретуі мүмкін.

Бұл принцип интерференция деп аталады және көптеген оптикалық құбылыстарды түсіндіреді. Юнг оны бірнеше маңызды мәселелерге қолданды.

1. Жұқа қабықшалардың түстерін түсіндіру алғаш рет нақты теориялық негізге ие болды. Қабықшаның жоғарғы және төменгі беттерінен шағылған жарық толқындары әртүрлі жолмен өтеді. Осы жол айырмашылығына байланысты кейбір толқындар күшейіп, ал кейбіреулері бірін-бірі әлсіретеді. Сондықтан сабын көпіршігі әртүрлі түстермен жарқырайды.
2. Ньютон сақиналары деп аталатын құбылыс — дөңес линза мен тегіс әйнек түйіскен кезде пайда болатын жарық және қараңғы концентрлік сақиналар — толқындық теория арқылы дәл түсіндірілді. Ньютон бұл құбылысты байқап сипаттағанымен, оны өзінің корпускулалық теориясымен түсіндіре алмады. Юнг бұл сақиналардың екі беттен шағылған толқындардың интерференциясынан пайда болатынын көрсетті.
3. Интерференциялық жолақтардың орналасуын математикалық түрде болжау теорияны тәжірибемен дәл тексеруге мүмкіндік берді. Юнг жолақтар арасындағы қашықтықты жарық толқынының ұзындығымен, экранға дейінгі арақашықтықпен және саңылаулардың арақашықтығымен байланыстыратын формуланы шығарды. Теория мен тәжірибе нәтижелерінің сәйкес келуі жарықтың толқындық табиғатын дәлелдеді.

Юнгтың теориялық жұмысы өте дәл болды. Алайда ең шешуші дәлел — тәжірибе болды.

Қос саңылау тәжірибесі: қарапайымдылықтағы данышпандық

Юнг шамамен 1803 жылы сипаттаған қос саңылау тәжірибесі физика тарихындағы ең әдемі тәжірибелердің бірі болып саналады. Оның ерекшелігі — құрылғының өте қарапайым болуы және алынған нәтижелердің өте терең мағынасы.

Тәжірибе үшін монохроматты жарық көзі, екі тар параллель саңылауы бар экран және нәтижені бақылауға арналған екінші экран қажет болды. Жарық екі саңылаудан өткенде экранда екі жарық сызық емес, кезектескен жарық және қараңғы жолақтар пайда болды. Бұл құбылыс интерференциялық картина деп аталды.

Бұл көріністің физикалық мағынасы бірнеше негізгі факт арқылы түсіндіріледі.

1. Қараңғы жолақтар екі саңылаудан шыққан толқындар қарсы фазада кездескен кезде пайда болады. Корпускулалық теория мұны түсіндіре алмады, себебі екі жарық ағыны біреуіне қарағанда аз жарық бере алмайды.
2. Жарық жолақтар толқындардың фазалары сәйкес келген кезде пайда болады. Ең жарық жолақ экранның дәл ортасында орналасады. Бұл симметрия толқындық теорияға толық сәйкес келеді.
3. Саңылаулар арасындағы қашықтық немесе жарық толқынының ұзындығы өзгергенде жолақтардың арақашықтығы Юнг формуласына дәл сәйкес өзгерді. Бұл тәжірибені жүйелі дәлелге айналдырды.
4. ХХ ғасырда бұл тәжірибе кванттық механика үшін де маңызды болды. Тіпті саңылаулар арқылы жеке фотондар немесе электрондар өткен кезде де интерференциялық картина пайда болатыны анықталды. Бұл корпускулалық-толқындық дуализм принципінің негіздерінің бірі болды.

Юнгтың қос саңылау тәжірибесі екі ғасырдан астам уақыт бойы мектептер мен университеттерде қайталанып келеді және әрдайым сол нәтижені береді.

Қарсылық және кеш мойындау

Юнгтың идеялары британ ғылыми қауымдастығы тарапынан бірден қабылданған жоқ. Оның басты сыншысы заңгер әрі публицист Генри Бруэм болды. Ол Edinburgh Review журналында Юнгтың еңбектерін қатты сынға алған бірнеше мақала жариялады.

Бұл реакция сол кездегі ғылымның кейбір ерекшеліктерін көрсетеді:

• Ньютонның беделі ұлттық мақтаныш ретінде қабылданды және оның теорияларын сынға алу эмоциялық қарсылық туғызды;
• жарықтың толқындық теориясы континенттік ғылыммен байланысты деп есептелді, бұл Наполеон соғыстары кезеңінде британ ғалымдарының күдігін арттырды;
• Юнг өз идеяларын белсенді түрде насихаттауға көп уақыт бөлмеді.

Ақырында мойындау Франциядан келді. Огюстен Френель 1810-жылдары жарықтың толқындық теориясын математикалық тұрғыдан дамытты. 1819 жылы Француз ғылым академиясы оның дифракция теориясын марапаттағанда, толқындық теория ресми түрде мойындалды. Юнгтың есімі де қайта бағаланды, бірақ оның өміріндегі көптеген марапаттар Френельге бұйырды.

Түсті көру теориясына қосқан үлесі

Юнгтың оптика саласындағы зерттеулері жарықтың таралу физикасымен ғана шектелмеді. Ол көру физиологиясын да зерттеді. 1801 жылы ол түсті көрудің үшкомпонентті теориясын ұсынды. Бұл теория бүгінгі күні де аз ғана толықтырулармен өзекті болып қала береді.

Юнгтың гипотезасы бойынша көздің тор қабығында үш түрлі рецептор бар. Олардың әрқайсысы үш негізгі түстің біріне — қызыл, жасыл және көк — ең сезімтал. Көз қабылдайтын барлық түстер осы рецепторлардың әртүрлі қатынаста қозуынан пайда болады. XIX ғасырдың ортасында Герман Гельмгольц бұл теорияны дамытып, эксперимент арқылы дәлелдеді. Содан бері ол «Юнг – Гельмгольц теориясы» деп аталады.

Бұл теорияның практикалық маңызы өте кең:

• түрлі-түсті фотография мен кино дәл осы үш түсті принципке негізделген;
• мониторлар мен теледидарлар қызыл, жасыл және көк пиксельдер арқылы жұмыс істейді;
• түс ажырата алмау ауруларын диагностикалау рецепторлардың қайсысы дұрыс жұмыс істемейтінін түсінуге негізделеді;
• RGB компьютерлік түс модельдері де дәл осы принципке сүйенеді.

Юнгтың түсті көру теориясы оның ғылыми әдісінің маңызды ерекшелігін көрсетеді — физикалық құбылысты биологиялық қабылдаумен байланыстыра білу.

Томас Юнг ғылым тарихында құбылыстың артындағы заңдылықты көре алатын ерекше қабілеті бар адам ретінде қалды. Оның жарықтың толқындық теориясы өмірінде күмән мен мысқылға ұшырағанымен, кейін классикалық физиканың негіздерінің біріне айналды және XX ғасырдағы кванттық революцияны алдын ала болжағандай болды. Қарапайым идеяны көрсету үшін жасалған қос саңылау тәжірибесі соншалықты терең мағынаға ие болып шықты, физиктер оған бүгінгі күні де қайта оралады. Юнгтың тағдыры ғылымда шындық танымалдықтан маңызды екенін көрсетеді. Кейде ең құнды жаңалықтар олардың авторы өмір сүрген кезеңнен әлдеқайда кеш мойындалады.