Õpime füüsikat: Hele täpp varju keskmes

Robert P. Crease võtab vaatluse alla lihtsa demonstratsiooni, mis on ühteaegu nii paeluv hariduslik vahend kui ka draamatiline õppetund ajaloost.

Vahendab fyysika.ee

Kes avastas täpi?

,,See on erakordselt lihtne demonstratsioon,” sõnab Hal Metcalf, lülitades samal ajal sisse väikese laserpointeri, tekitades seega 10m kaugusel asuvale seinale umbes 2mm diameetriga helerohelise täpi. Seejärel klammerdab ta ühe sirge naela hoidja külge ning asetab selle ,,peale” magneti. Viimasena lisab ta naela otsa rippuma kuullaagri.

Asetades selle süsteemi laseri ja seina vahele, kohendab Metcalf laserkiirt nii, et see sihiks täpselt kuullaagrit. Nüüd ümbritseb kuullaagri varju helendav roheline halo, sarnanedes miniatuursele päikesevarjutusele. Erinevus on vaid üks: varju keskmes asub roheline punkt, helendades sama kirkalt nagu siis, kui kuullaagrit süsteemis poleks. Uskumatu!

Laserjahutuse pioneer ja Stony Brook’i ülikooli tuntud professor Metcalf näitab sedasama demonstratsiooni kolmanda aasta tundengitele nende optikakursusel ülikooli Laserõpetuse Keskuses (Laser Teaching Center, LTC). Ta armastab seda katset. ,,Siin ei ole mingeid trikke. Ei mingeid läätsesid, peegleid, ei midagi! Ainult laserkiir ja väike kuullaager.”

See on üks paljudest demonstratsioonidest, mida tema ja LTC John Noe õpilaste motiveerimiseks kasutavad. Metcalf ja Noe teevad seda aga ilma matemaatikat kasutamata, sest ühel hetkel muutuvad õpilased piisavalt uudishimulikuks, et küsida, kuidas seda kirjeldada. Sellega kaasnev vestlus kulgeb tavaliselt järgnevalt:

• Metcalf: ,,Kõige kergem on selle kirjeldamiseks kasutada mitte inglise keelt vaid matemaatikat.”
• Õpilane: ,,Tõesti? Mida mul vaja läheb?”
• Metcalf: ,,Noh, diferentsiaalvõrrandeid või maatriksalgebrat või arvutusi…”
• Õpilane: ,,See on kõik?”
• ,,Õpilasi tuleb motiveerida matemaatikat tahtma,” lisab Metcalf. ,,Ma vihkan seda, kui keegi ütleb, et “See juhtub, sest see peab rahuldama toda võrrandit.” See pole nii. See juhtub; too võrrand kirjeldab seda.”

See demonstratsioon, mille nime ma aga ei nimeta (kirjeldan põhjuseid hiljem), pole aga vaid dramaatiline õppemeetod. See on ka õpetlik episood avastuste mitmemõttelisustest.

Fresnel, Poisson, Arago

19. sajandi alguses oli valguse teooriatest domineerivaks Newtoni korpuskulaar- ehk osakesteteooria, mille kohaselt liigub valgus sirgjooneliselt. Umbes 1807. aastal demonstreeris aga Briti teadlane Thomas Young inferentsiefektide abil valguse laineloomust. Arvamus valguse tõelisest loomusest jagunes kaheks – seda ka Prantsuse Teaduste Akadeemia liikmete seas, kellest enamus töötas osakestega. Sel ajal toimusid akadeemias perioodilised võistlused, eesmärgiga selgitada vastuolulisi nähtusi. Seega otsustati 1818. aastal, et järgneva aasta võistluste teemks saab olema difraktsioon.

Meie maailmapilti lisandus Augustin-Jean Fresnel. 1818. aastal tegeles Fresnel insenerina Rennesis, kuid haaras igast võimalusest Pariisi sõita, kus ta kavatses Young’i vaatlustele põhinedes töötada välja valguse laineteooria. Ta töötas välja viisi arvutamaks mitme laine koguefekti, jagades iga laine kaheks komponendiks, liites kõik komponendid ja kombineerides tulemused. Vaevalt enne tähtaja lõppu esitas Fresnel akadeemia võistlusele essee, milles ta esitas teooria mis tema kohaselt võimaldaks arvutada valguse intensiivsuse igas murdva objekti taga asuvas punktis.

Võistluse tulemusi hindavat kommiiteed domineerisid aga osakesteteooria pooldajad, nende seas oli ka Simeon-Denis Poisson, kes olid veendunud, et Fresneli teooria on vigane. Poisson märkaski midagi, mis tundus olevat Fresneli osaluse lõpuks. Fresneli töö kohaselt tekiks läbi ringikujulise takistuse paistva valguse tagajärjel seinale varju keskele hele täpp – sama hele kui siis, kui takistust polekski. Loomulikult täielik jama! Ja mitte ainult – Fresneli võrrandid ütlesid ka seda, et läbi ringikujulise augu paistva valguse tagajärjel tekiks varju keskele tume täpp.

Komitee esimeheks oli aga François Arago – üks vähestest Prantsuse teadlastest, kes oli tutvunud Youngi töödega ning kes oskas seega Fresneli tööd hinnata. Arago sooritas sama eksperimendi leegi, filtrite ning vahaga kaetud klaasplaadile kinnitatud 2mm metallkettaga. Kõigi üllatuseks ning Poissoni pahameeleks nägigi Arago heledat täppi ning Fresnel võitis võistluse.

Fresneli jaoks oli kogu see lugu väga meeltmööda, isegi kuigi tal oli vaid hinnatuse osas vähe kannatlikkust. ,,Mitte ükski neist komplimentidest, mille ma olen (kommitee liikmetelt) Aragolt, (Pierre) Laplace’ilt ja (Jean-Baptiste) Biot’lt saanud, ei andnud mulle nii palju rahuldust kui teoreetilise tõe avastamine ning arvutuste kinnitamine eksperimendi abil,” kirjutas ta Youngile paar aastat hiljem.

Kui demonstratsioon on nii lihtne, küsisin ma Metcalfilt, siis miks ei avastatud seda juba varem, näiteks päikesevarjutuste ajal? ,,Kuu ei ole piisavalt ümmargune,” sõnas ta. ,,Kõik need mäed! Päike ei ole koherentse valguse punktallikas. Inimestel ei ole alati laserpointereid käepärast olnud.”

Kriitiline punkt

See juhtum kirjeldab hästi avastuste mitmemõttelisust. Kes on siin avastajaks? Fresnel, kes koostas teoreetilise osa? Poisson, kes näitas, et punkt on otseseks tagajärjeks kuid samal ajal uskus, et see ei saa nii olla? Arago, kes sooritas katse? Lisaks on hiljem välja selgitatud, et kaks teadlast avastasid täpi juba sajand varem kuid ei osanud seda selgitada.

Mida aga arvata Prantsuse Akadeemiast, kelle tegevuse tagajärjel avastuse üldse toimus? Kas Young ei mänginud mitte mingit rolli? Tegelikkuses on antud täpp vaid palju üldisema nähtuse üheks näiteks – Jacques Babinet’i teoreemi kohaselt tekitavad komplementaarsed takistusmustrid komplementaarse difraktsioonitulemuse.

Ühe kindla isiku või isikute kombinatsiooni välja valimine võib olla kasulik hariduses – nähtuse nimetamisel või auhinna väljaandmisel. Filosoofiliselt on see aga lohakas – see on nagu öelda, et kõige väärtuslikum mängija spordivõistlusel on isik, kes võistluse võitis. Korrektne vastus küsimusele ,,Kes selle täpi avastas?” on: kogu teaduslik kogukond.