Eter i światło

Gdy w pogodną noc obserwujemy ciała, rozsiane po sklepieniu nieba, jedynym prawie czynnikiem, świadczącym zmysłowo o ich egzystencji, są promienie światła i ciepła, jakie wskroś przestrzeni od nich do nas dochodzą. Dla ścisłości należałoby tu dołączyć jeszcze oddziaływanie przyciągania Newtonowskiego, które jest zupełnie niezależne od świetlnego promieniowania ciał; natura jednak oddziaływania tej siły jest dotychczas jeszcze zupełnie tajemniczą.

W każdym razie nie ulega wątpliwości, iż olbrzymie przestrzenie, dzielące nas od ciał niebieskich, nie stoją na przeszkodzie, by między tymi ciałami a naszą ziemią istniał pewien łącznik fizyczny w postaci promieni światła. W takim razie jednakże przestrzenie te nie mogą być absolutnie próżne, musi się w nich znajdować pewien substrat, niekoniecznie materialny, który umożliwia przejście energii świetlnej w przestrzeni, gdyż działanie na odległość przez bezwzględną próżnię, owa „action in dystans” nie może być przez nas fizycznie pomyślaną.

Pierwsze, możliwe przypuszczenie o charakterze międzyplanetarnej przestrzeni, polega na domyślnym zapełnieniu jej przez pewien materialny ośrodek, np. przez gaz nadzwyczajnie rozrzedzony, który by służył jako mechanizm konieczny dla egzystencji promienia świetlnego. Ta hipotezą nie może się jednak ostać przede wszystkim wobec faktu, iż światło bez przeszkody przechodzi przez najdoskonalsze sztuczne próżnie, jakie drogą doświadczalną możemy otrzymać w naszych pracowniach; a następnie wobec wniosków, jakie wyprowadzić możemy z badania samej natury promieni świetlnych.

Jedna z najcharakterystyczniejszych własności promieni świetlnych, polega na możliwości ich interferencji, tj. na możności zgaszenia jednego promienia światła za pomocą drugiego. Zupełnie podobne zjawisko spostrzegamy i dla promieni dźwięku: może ono być objaśnione tylko w ten sposób, iż tak jedno jak i drugie zjawisko polega na ruchu falowym, podobnym w przybliżeniu do tego, co obserwujemy na spokojnej powierzchni wody, gdy ją uderzymy np. kamieniem. Z punktu wstrząśnienia rozchodzą się na wszystkie strony koliste fale, przy czym cząsteczki wody bynajmniej nie biegną razem z rozszerzającymi się falami, lecz każda z nich kołysze się na miejscu, podnosząc się i spadając. Jeżeli obecnie w drugim miejscu powierzchni wywołamy nowe wstrząśnienie, to powstające nowe fale będą się krzyżowały z poprzedzającymi, przy czym w pewnych miejscach ruchy od dwóch fal będą silniejsze, a w innych słabsze i nawet zupełnie niknąć mogą, tak, że pływający korek pod wspólnym wpływem dwóch fal interferujących zostanie w spokoju.

Istnieje jednak pewna zasadnicza różnica pomiędzy falami dźwięku i falami .światła, która nas zmusza do orzeczenia, iż zwykła materia ważka w ruchu świetlnym udziału nie bierze, gdy tymczasem, jak to każdemu wiadomo, dźwięk jest właśnie falowaniem i wahadłowym ruchem cząstek materii, wskutek czego np. głos przez próżnię nie przechodzi.

Jeżeli będziemy badali własności promienia świetlnego w pewnych szczególnych warunkach (tj. tzw. polaryzowanego), to przekonamy się, iż promień ten nie ma jednakowych własności 7-z wszystkich swych stron na około kierunku promienia. Pewne kryształy np. będą przepuszczały nasz promień (będą dla niego przezroczyste) w określonym położeniu; jeżeli je obrócimy na pewien kąt, przestaną być przezroczystymi dla tegoż samego promienia, innymi słowy, stan ośrodka, którego ruch falowy wywołuje światło, nie jest jednakowy we wszystkich płaszczyznach, przechodzących przez promień. Może to pochodzić tylko stąd, że wahadłowe ruchy cząsteczek ośrodka, którego fale stanowią światło, są poprzeczne względem kierunku promienia, przy czym cząstki kołyszą się w ten sposób, iż podnoszą się one nad promień, ciągnąc za sobą sąsiednie, następnie znów opadają itd. Tym sposobem przepuszczenie światła przez kryształ w jednym położeniu, a nieprzepuszczanie w drugim, można objaśnić tym, iż kryształ przepuszcza tylko wahania jednego kierunku, tamując drogę pozostałym. Nic podobnego do zjawisk tego rodzaju nie zauważono w dźwięku; dlatego przyjmujemy, iż wahania dźwiękowe są zawsze symetryczne względem każdej płaszczyzny przeprowadzonej przez kierunek promienia, co może być tylko wtedy, gdy fale dźwięku będą podłużne, tj. kierunek wahań będzie ten sam, co i kierunek promienia i rozchodzenia się dźwięku.

Najlepiej różnicę między poprzecznymi i podłużnymi falami uwidocznimy sobie na następującym przykładzie. Wyobrażamy sobie długi i bardzo gruby pręt gumowy, którego jeden koniec opiera się np. o ścianę, a drugi jest swobodny – falę podłużną w pręcie otrzymamy, uderzając np. w swobodny koniec młotkiem w kierunku osi pręta. Wtedy oczywiście pręt się skurczy, co wywoła przesunięcie naprzód poprzecznych jego przecięć; następnie każde pojedyncze przecięcie, doszedłszy po niejakim czasie do krańcowego położenia, zacznie się cofać, przejdzie przez położenie równowagi do drugiego krańcowego położenia, potem znów zawróci itd. Ruch falowy w podobny sposób otrzymywany, będzie zatem podłużny, gdyż kierunek wahania przecięć jest ten sam, co i rozchodzenia się fali wzdłuż osi pręta; pojedyncze wahania będą się tu odbywały w zależności od tego, jak sprężyście ściśliwym jest materiał pręta; im więcej daje on się ścisnąć, tym oczywiście więcej przesuną się pojedyncze przecięcia od położenia równowagi.

Wyobraźmy sobie teraz, iż zamiast uderzenia ściskającego pręt skręcimy go u swobodnego końca około osi na pewien kąt i następnie puścimy wolno. Pojedyncze płaszczyzny poprzeczne nie będą zmieniały wtedy swego położenia względem osi pręta, nie będą się przesuwały naprzód i w tył; natomiast będą się one kręcić na około osi, a dzięki spójności materiału pręta, skręcenie pierwszej płaszczyzny pociągnie za sobą skręcenie następnej naturalnie już na mniejszy kąt, po tej znowu następnej itd. Wahania skręcającego się i rozkręcającego pręta będą zatem prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal, tj. będziemy tutaj mieli do czynienia z falami poprzecznymi, tj. z takimi, jakie poprzednio musieliśmy przypuścić dla objaśnienia fal świetlnych.

Z powyższego można wywnioskować, że fale podłużne mogą powstawać w każdym ciele, gazie, płynie, lub ciele twardym, byle tylko ciała te mogły być ściśnięte, a po ściśnięciu sprężyście starały się powrócić do poprzedniego stanu, co ma miejsce dla wszystkich znanych ciał natury. Zupełnie jednak inaczej się przedstawia kwestya fal poprzecznych; by w wyżej przytoczonym przykładzie mogła powstać taka fala; trzeba, by cząstki pojedynczych przecięć wychodząc z położenia równowagi ciągnęły za sobą cząstki sąsiednich przecięć, tj. by pomiędzy cząstkami ciał istniał pewien związek materialny, sprzeciwiający się sprężyście odkształceniu. Związek taki nie egzystuje w płynach i gazach, których forma zależy tylko od otaczającego naczynia, w skutek czego w tych ciałach fale poprzeczne powstawać nie mogą: fale poprzeczne mogą istnieć tylko w ciałach stałych.

Ten ostatni wniosek stanowczo rozstrzyga kwestię na rzecz niematerialnego (tj. nie związanego z wahaniami ważkiej materii) charakteru fal świetlnych. Ponieważ doświadczenie okazuje, iż światło przechodzi przez ciała płynne i gazowe, zatem fale świetlne nie są wywołane przez ruchy materii, lecz powstają w pewnym ośrodku, znajdującym się wszędzie, gdzie mogą być promienie świetlne, a więc w całej przestrzeni gwiazdowej z jednej strony i przepełniającym z drugiej strony wszystkie ciała natury, ponieważ one w dostatecznie cienkich blaszkach są dla światła przezroczyste. Ten ośrodek tajemniczy, którego istnienie na podstawie powyższego szeregu wniosków zmuszeni jesteśmy przypuścić, i który podług przytoczonych już wyżej słów W. Thomson’a, jest jedyną substancją godną zaufania w dynamice, zowiemy eterem.