De Wonderbaarlijke Ontdekking van Licht
Omdat het visuele spectrum, hetgeen we met onze ogen kunnen waarnemen, één van de cruciale voorwaarden voor fotografie is, wil ik deze gelegenheid gebruiken om een van de langst onderzochte fenomenen sinds het begin van de mensheid toe te lichten: LICHT
Hierbij heb ik getracht om zodanig duidelijk te zijn dat ik het zelf ook goed begrijp. En als ik het begrijp, dan kan iedereen het bevatten. Laat je niet afschrikken als je iets niet doorhebt na de eerste keer lezen, lees het gewoon nog een keer. De wijze waarop de mensheid door de eeuwen heen het fenomeen licht heeft geprobeerd te verklaren is een interessant onderwerp en zeker de moeite van het lezen waard.
Een interessante ontdekkingsreis toegewenst.
In dit essay staat de zoektocht naar de aard van het licht centraal: is licht een uitstraling van deeltjes; fotonen, of is het een zich voortplantende golfbeweging in een medium; elektromagnetische straling?
Omdat het visuele spectrum, hetgeen we met onze ogen kunnen waarnemen, één van de cruciale voorwaarden voor fotografie is, wil ik deze gelegenheid gebruiken om een van de langst onderzochte fenomenen sinds het begin van de mensheid toe te lichten: LICHT
Hierbij heb ik getracht om zodanig duidelijk te zijn dat ik het zelf ook goed begrijp. En als ik het begrijp, dan kan iedereen het bevatten. Laat je niet afschrikken als je iets niet doorhebt na de eerste keer lezen, lees het gewoon nog een keer. De wijze waarop de mensheid door de eeuwen heen het fenomeen licht heeft geprobeerd te verklaren is een interessant onderwerp en zeker de moeite van het lezen waard.
Een interessante ontdekkingsreis toegewenst.
In dit essay staat de zoektocht naar de aard van het licht centraal: is licht een uitstraling van deeltjes; fotonen, of is het een zich voortplantende golfbeweging in een medium; elektromagnetische straling?
Het dubbele spleet experiment van Thomas Young rond 1800 werd oorspronkelijk gebruikt om aan te tonen dat licht zich NIET als een stroom van deeltjes gedraagt maar als een golffront.
Echter, toen Max Planck rond 1900 het gedrag van (licht)stralingsenergie, afkomstig van een verhit zwart object, niet kon verklaren middels de theorieën voortkomend uit de klassieke natuurkunde (lees golftheorie) maar wel met behulp van gekwantificeerde deeltjes (lichtkwanta zijn fotonen), dacht hij aanvankelijk dat zijn theorie op een gelukkig ontdekt toeval berustte en ging hij er van uit, ja hoopte zelfs, dat zijn aanzet tot de kwantumtheorie spoedig achterhaald zou worden. Dit bleek echter niet het geval, zijn idee is inmiddels zo vaak onderzocht en bevestigd dat niemand denkt dat het ooit nog achterhaald zal worden.
Dat het gedrag van licht de ene keer expliciet als elektromagnetische straling en de andere keer als fotonen beschreven kan worden, geeft bedenkingen; Licht is van zichzelf uit gewoon licht met constante gedragseigenschappen. Weten we na zoveel eeuwen van speculaties en onderzoek nu eigenlijk precies wat licht is?
Ik geloof niet dat we wat dan ook met volledige zekerheid kunnen weten, maar we kunnen alles ongeveer weten en met heel verschillende maten van waarschijnlijkheid.
Dat het gedrag van licht de ene keer expliciet als elektromagnetische straling en de andere keer als fotonen beschreven kan worden, geeft bedenkingen; Licht is van zichzelf uit gewoon licht met constante gedragseigenschappen. Weten we na zoveel eeuwen van speculaties en onderzoek nu eigenlijk precies wat licht is?
Ik geloof niet dat we wat dan ook met volledige zekerheid kunnen weten, maar we kunnen alles ongeveer weten en met heel verschillende maten van waarschijnlijkheid.
Pierre Perrault, 1673.
1 Vroege Ideeën
Aangezien gezichtsvermogen het primaire zintuig van de mens is, kunnen we er van uit gaan dat mensen zich al gedurende duizenden jaren hebben verwonderd en gespeculeerd over licht. Reeds lang voordat er een methode was om die gedachten op schrift vast te leggen.
En vanwege zijn fysische eigenschappen duurde het tot in de 19e eeuw CE voordat er onder de wetenschappers een breed geaccepteerd denkbeeld was over het gedrag van licht.
Noot: in de tijdsaanduiding wordt bewust gebruik gemaakt van een niet religieus gerelateerde verwijzing:
BCE = Before the Common Era
CE = Common Era.
CE = Common Era.
Prehistorie
De prehistorische mens begreep op een gegeven moment dat naast het bereiden van voedsel, vuur gebruikt kon worden om de duisternis te verdrijven. Een belangrijke ontwikkeling was vervolgens het vervaardigen van een draagbare vorm van verlichting; fakkels en stenen lampen.
Waarschijnlijk heeft de prehistorische mens gedurende het Midden en Laat Pleistoceen (240.000-116.000 BCE) ontdekt hoe men eigenhandig vuur kon maken. In eerste instantie stookte men alleen een groot open vuur in de vrije lucht op een vuurplaats of in een grot, als dat mogelijk was. Lange tijd deed men dit alleen overdag om zich te verwarmen, eten te koken of wilde dieren te verjagen. Als het donker was ging men slapen en werd het vuur gedoofd. Pas later besefte men dat de dag verlengd kon worden als men na de schemering het vuur door liet branden. Vanaf dat moment werd open vuur tevens als verlichting gebruikt.
Tot 75.000 BCE zou een groot open vuur de enige vorm van verlichting blijven. Vanaf dat moment werden er brandende stukken hout meegedragen als verlichting op plaatsen waar geen vuur aanwezig was. Dat waren de eerste primitieve fakkels.
Ergens tussen zo’n 13.000 en 10.000 BCE ontdekte men de mogelijkheid om licht te maken met behulp van olie- en vetlampjes. Dat was een grote stap vooruit. De stenen die gebruikt werden als lamp waren doorgaans gesteentes met een (natuurlijke) uitsparing, waarin het brandbare materiaal werd gedaan.
Vanaf dat moment konden mensen zichzelf bijlichten zonder rondspattende vonken, dus met aanzienlijk minder kans op brandwonden en minder kans op brandgevaar.
De prehistorische mens begreep op een gegeven moment dat naast het bereiden van voedsel, vuur gebruikt kon worden om de duisternis te verdrijven. Een belangrijke ontwikkeling was vervolgens het vervaardigen van een draagbare vorm van verlichting; fakkels en stenen lampen.
Waarschijnlijk heeft de prehistorische mens gedurende het Midden en Laat Pleistoceen (240.000-116.000 BCE) ontdekt hoe men eigenhandig vuur kon maken. In eerste instantie stookte men alleen een groot open vuur in de vrije lucht op een vuurplaats of in een grot, als dat mogelijk was. Lange tijd deed men dit alleen overdag om zich te verwarmen, eten te koken of wilde dieren te verjagen. Als het donker was ging men slapen en werd het vuur gedoofd. Pas later besefte men dat de dag verlengd kon worden als men na de schemering het vuur door liet branden. Vanaf dat moment werd open vuur tevens als verlichting gebruikt.
Tot 75.000 BCE zou een groot open vuur de enige vorm van verlichting blijven. Vanaf dat moment werden er brandende stukken hout meegedragen als verlichting op plaatsen waar geen vuur aanwezig was. Dat waren de eerste primitieve fakkels.
Ergens tussen zo’n 13.000 en 10.000 BCE ontdekte men de mogelijkheid om licht te maken met behulp van olie- en vetlampjes. Dat was een grote stap vooruit. De stenen die gebruikt werden als lamp waren doorgaans gesteentes met een (natuurlijke) uitsparing, waarin het brandbare materiaal werd gedaan.
Vanaf dat moment konden mensen zichzelf bijlichten zonder rondspattende vonken, dus met aanzienlijk minder kans op brandwonden en minder kans op brandgevaar.
Zonder draagbaar licht, een betrouwbare manier van verlichten, zou de prehistorische mens niet in staat zijn geweest om grotschilderingen te maken.
Toen de jager-verzamelaars zich rond 10.000 BCE gingen vestigen als boeren in kleine nederzettingen claimden zij hun “plek” door middel van voorouderverering; kijk mijn voorouders leefden hier ook al, dus dit land is van ons. Ook werden bezoekers in een (kunstmatige) grot meegevoerd naar een diep gedeelte ver weg van de vertrouwde wereld en daar werd, al dan niet op het juiste moment begeleid door een mysterieus geluid, de afbeelding van een hand of iets dergelijks op een rotswand getoond. Wanneer zo’n hand wordt bekeken met het licht van een fakkel, lijkt het te veranderen. Door de textuur van de rotswand werpt het licht grillige schaduwen en komen nieuwe silhouetten tevoorschijn, steeds een fractie verschillend van de vorige. In het dansende licht komt materie, in dit geval de afbeelding van de hand als het ware tot leven. Dit alles werd heel bewust geënsceneerd met het doel om de bezoeker op mystieke wijze te imponeren en daarmee de claim op het omringende land te bevestigen.
De prehistorische mens had verschillende technieken om afbeeldingen van handen te maken. Soms drukten ze hun hand tegen de grotmuur die met pigment was besmeurd. Ook maakten ze negatieven door hun hand tegen de muur te zetten en de pigmenten in allerlei kleuren door een rietje eroverheen te blazen.
Het Oude Egypte (en meer)
Eén verklaring voor het ontstaan van religie is gerelateerd aan de expansie van onze hersenen en daarmee met bijvoorbeeld de ontwikkeling van taal, empathie en de mogelijkheid om abstracte gedachtes te vormen. Niet alleen verwierf de mens de capaciteit om complexe gereedschappen te bedenken en te vervaardigen maar ook werd het belast met een hogere mate van bewustzijn en begreep het dat de meeste gevolgen een oorzaak hebben. Voor onverklaarbare natuurverschijnselen werden goden uitgevonden en religie gaf het leven zin. Daarmee zijn goden en religie een bijkomend effect van de toename van cognitieve eigenschappen.
De meeste vroege religies aanbaden reeds een zonnegod in een of andere vorm, maar rond 1.370 BCE het was het de Egyptische farao Achnaton (ook Echnaton of Akhenaten) die een verering van een zonnegoddelijkheid introduceerde die ook de zonnestralen omvatte. Hij zag het licht van de zon als leven gevend en liet het als zodanig duidelijk verbeelden in de Armana-stijl van de Egyptische kunst.
Goud werd overigens als het vlees van Aton beschouwd en het verwonderlijke is dat men er uiteindelijk niet ver naast zat. Goud is reeds aanwezig op de Aarde sinds het ontstaan van de planeet, maar het is er niet gevormd omdat voor de productie ervan krachtige fusiereacties nodig zijn. Sterren, vanaf ongeveer 8 keer de massa van onze zon, beëindigen hun leven met een supernova-explosie en de bijbehorende kernfusiereacties leveren voldoende energie voor de productie van goud.
Achnaton (Hij die nuttig is voor Aton) werd geboren als Amenhotep IV (Amon is tevreden), de jongste zoon van Amenhotep III. Achnaton was oorspronkelijk niet aangewezen als de opvolger van de troon. Vanwege zijn afwijkende uiterlijk werd Achnaton tijdens zijn jeugd door zijn vader weggestopt, nam geen deel aan publiekelijke openbare manifestaties en kreeg geen titels of andere uitingen van zijn afkomst toebedeeld. Het was zijn moeder die hem, na de dood van zijn vader, alsnog op de troon kreeg.
Om het koningsbloed zuiver te houden en bezittingen niet verloren te laten gaan, werd er in principe binnen de familie getrouwd, broers huwden hun (half)zussen, neven met (achter)nichten, etc., met lichamelijke afwijkingen als het gevolg van inteelt tot resultaat.
Eén verklaring voor het ontstaan van religie is gerelateerd aan de expansie van onze hersenen en daarmee met bijvoorbeeld de ontwikkeling van taal, empathie en de mogelijkheid om abstracte gedachtes te vormen. Niet alleen verwierf de mens de capaciteit om complexe gereedschappen te bedenken en te vervaardigen maar ook werd het belast met een hogere mate van bewustzijn en begreep het dat de meeste gevolgen een oorzaak hebben. Voor onverklaarbare natuurverschijnselen werden goden uitgevonden en religie gaf het leven zin. Daarmee zijn goden en religie een bijkomend effect van de toename van cognitieve eigenschappen.
De meeste vroege religies aanbaden reeds een zonnegod in een of andere vorm, maar rond 1.370 BCE het was het de Egyptische farao Achnaton (ook Echnaton of Akhenaten) die een verering van een zonnegoddelijkheid introduceerde die ook de zonnestralen omvatte. Hij zag het licht van de zon als leven gevend en liet het als zodanig duidelijk verbeelden in de Armana-stijl van de Egyptische kunst.
Goud werd overigens als het vlees van Aton beschouwd en het verwonderlijke is dat men er uiteindelijk niet ver naast zat. Goud is reeds aanwezig op de Aarde sinds het ontstaan van de planeet, maar het is er niet gevormd omdat voor de productie ervan krachtige fusiereacties nodig zijn. Sterren, vanaf ongeveer 8 keer de massa van onze zon, beëindigen hun leven met een supernova-explosie en de bijbehorende kernfusiereacties leveren voldoende energie voor de productie van goud.
Achnaton (Hij die nuttig is voor Aton) werd geboren als Amenhotep IV (Amon is tevreden), de jongste zoon van Amenhotep III. Achnaton was oorspronkelijk niet aangewezen als de opvolger van de troon. Vanwege zijn afwijkende uiterlijk werd Achnaton tijdens zijn jeugd door zijn vader weggestopt, nam geen deel aan publiekelijke openbare manifestaties en kreeg geen titels of andere uitingen van zijn afkomst toebedeeld. Het was zijn moeder die hem, na de dood van zijn vader, alsnog op de troon kreeg.
Om het koningsbloed zuiver te houden en bezittingen niet verloren te laten gaan, werd er in principe binnen de familie getrouwd, broers huwden hun (half)zussen, neven met (achter)nichten, etc., met lichamelijke afwijkingen als het gevolg van inteelt tot resultaat.
Aton is de zonnegod die werd uitgebeeld als een schijf met een uraeus cobra als teken van zijn koninklijke status en stralen die eindigen in handjes. Sommige handen houden een ankh-teken (☥) vast, maar alleen in relatie tot de koninklijke familie als teken van hun onsterfelijkheid, de sleutel van het eeuwig geluk. Het werd geacht hen bescherming te bieden tegen allerlei gevaren. Het aanreiken van een ankh door een godheid aan een farao, was het symbool voor het schenken van levensenergie. De ankh werd vaak vlak onder de neus gehouden, waarmee de ankh-energie via de neusadem werd meegegeven aan de ontvanger.
Oud Egyptenaren aanbaden reeds de zonnegod, in de vorm van Ra, als een van de vele goden waarmee duizenden priesters in hun levensonderhoud voorzagen. Nadat Achnaton farao was geworden, besloot hij zich te ontdoen van de vele honderden goden en deze te vervangen door slechts één godheid: Aton (waarmee voor de allereerste keer een monotheïstische religie werd geïntroduceerd).
Hoewel het te ver gaat om de complexiteit rond de goden van het Oude Egypte in dit essay te beschrijven, is het belangrijk om het verschil tussen de goden Aton en Ra aan te geven en mogelijke verwarring weg te nemen.
Ra is vooral bekend in zijn rol als zonnegod die ook een nachtelijke hoedanigheid heeft in de vorm van een mestkever.
Mythologische verhalen geven een indruk van een Egyptische oppergod, de belangrijkste godheid in de traditionele religie die verschillende rollen speelt. Ra wordt vaak versmolten met andere goden; onder anderen met Atoem, Horus en Amon (Amon-Ra).
Hoewel het te ver gaat om de complexiteit rond de goden van het Oude Egypte in dit essay te beschrijven, is het belangrijk om het verschil tussen de goden Aton en Ra aan te geven en mogelijke verwarring weg te nemen.
Ra is vooral bekend in zijn rol als zonnegod die ook een nachtelijke hoedanigheid heeft in de vorm van een mestkever.
Mythologische verhalen geven een indruk van een Egyptische oppergod, de belangrijkste godheid in de traditionele religie die verschillende rollen speelt. Ra wordt vaak versmolten met andere goden; onder anderen met Atoem, Horus en Amon (Amon-Ra).
Ra is de aanduiding voor de zichtbare zonneschijf die alleen overdag te zien is en wordt afgebeeld als een valk met een zonneschijf. In zijn nachtelijke vorm wordt Ra voorgesteld als de zwarte mestkever Chepri.
Nadat Achnaton een aantal jaren aan de macht was, werd de god Amon-Ra verbannen ten gunste van de god Aton.
Aton wordt vanaf dat moment afgebeeld als een zonneschijf met zonnestralen in de vorm van armen die eindigen in kleine handjes. De handen houden vaak het symbool voor het leven zelf vast: de ankh (☥), die alleen aan de leden van de koninklijke familie wordt aangeboden.
Aton wordt vanaf dat moment afgebeeld als een zonneschijf met zonnestralen in de vorm van armen die eindigen in kleine handjes. De handen houden vaak het symbool voor het leven zelf vast: de ankh (☥), die alleen aan de leden van de koninklijke familie wordt aangeboden.
Representatie van de god Aton
Hoewel hiervoor geen bewijs is geleverd, wordt verondersteld dat Achnaton de auteur is van de hymne ter verheerlijking van Aton. Het is tevens een poëtische samenvatting van de leer van de Atonreligie. In mijn ogen doet de hymne ontroerend en ietwat kinderlijk aan (klik op de hyperlink om het gedicht te zien/lezen).
Deze hymne getuigt van een extatische vreugde over de schepping. Het heelal koestert zich daarbij in het goddelijke licht van Aton. Mens en dier verkeren in aanbidding en het schouwspel van de wereld is er een van overvloed en vreugde. Aan de hymne ligt duidelijk een diep beleefd gevoel van religieus ontzag ten grondslag waarbij Achnaton als zoon van Aton wordt betiteld.
Deze hymne getuigt van een extatische vreugde over de schepping. Het heelal koestert zich daarbij in het goddelijke licht van Aton. Mens en dier verkeren in aanbidding en het schouwspel van de wereld is er een van overvloed en vreugde. Aan de hymne ligt duidelijk een diep beleefd gevoel van religieus ontzag ten grondslag waarbij Achnaton als zoon van Aton wordt betiteld.
Net als bij andere religies geloofden de Oude Egyptenaren sterk in een evenwicht tussen orde en chaos. Zonder chaos, geen orde / zonder kwaad, geen goed, duisternis - licht, hel - hemel, etc. Dat er geen negatieve tegenhanger van Aton voorhanden was, was moeilijk te begrijpen en werd door de gewone mensen niet geaccepteerd.
En meer: Toet
Achnaton was getrouwd met zijn nicht Nefertiti (De schone is gekomen). Samen waren zij de enige uitverkorenen die Aton rechtstreeks konden aanbidden en zodoende het enige medium vormden voor de Egyptische bevolking om Aton te vereren. Nadat Nefertiti plotseling van het toneel verdween, hertrouwde Achnaton twee keer en kreeg hij met zijn tweede vrouw een zoon genaamd: Toetanchaton. Hoewel dit niet 100% bewezen is want er zijn nog 4 andere potentiele moeders in beeld. DNA-onderzoek heeft bevestigd dat Achnaton zijn vader was.
Na het overlijden van Achnaton (wellicht vermoord door andersdenkenden) was het communicatiemedium met Aton niet langer beschikbaar, kregen de voormalige priesters de macht terug en werden alle goden in hun oude glorie hersteld. Om politiek-religieuze redenen veranderde Toetanchaton zijn naam in Toetanchamon. Dus: “Levend beeld van Aton” werd gewijzigd in: “Levend beeld van Amon” (Amon is de koning van de goden).
Een recente schouwing van Toetanchamons skelet heeft uitgewezen dat hij 19 jaar oud was toen hij stierf en ongeveer 1,68 m lang was. Er zat 1 cm verschil tussen de lengte van zijn benen en hij had een ietwat scheve ruggengraat. Daarnaast had hij een klompvoet en miste een teen aan de andere voet. Alle kwalen waar hij aan leed waren waarschijnlijk het gevolg van een botziekte en zijn zwakke immuunsysteem, die allebei waarschijnlijk het gevolg waren van de vele generaties aan inteelt die aan hem vooraf waren gegaan. Hij liep met een stok waarmee hij werd afgebeeld en in zijn graf zijn170 stokken gevonden. Uit dit onderzoek is gebleken dat Toetanchamon naar alle waarschijnlijkheid gestorven is aan de gevolgen van een ontsteking in zijn knie veroorzaakt door een breuk, gecombineerd met de gevolgen van een malaria besmetting. Een minder prettige dood zo te zeggen.
En meer: Toet
Achnaton was getrouwd met zijn nicht Nefertiti (De schone is gekomen). Samen waren zij de enige uitverkorenen die Aton rechtstreeks konden aanbidden en zodoende het enige medium vormden voor de Egyptische bevolking om Aton te vereren. Nadat Nefertiti plotseling van het toneel verdween, hertrouwde Achnaton twee keer en kreeg hij met zijn tweede vrouw een zoon genaamd: Toetanchaton. Hoewel dit niet 100% bewezen is want er zijn nog 4 andere potentiele moeders in beeld. DNA-onderzoek heeft bevestigd dat Achnaton zijn vader was.
Na het overlijden van Achnaton (wellicht vermoord door andersdenkenden) was het communicatiemedium met Aton niet langer beschikbaar, kregen de voormalige priesters de macht terug en werden alle goden in hun oude glorie hersteld. Om politiek-religieuze redenen veranderde Toetanchaton zijn naam in Toetanchamon. Dus: “Levend beeld van Aton” werd gewijzigd in: “Levend beeld van Amon” (Amon is de koning van de goden).
Een recente schouwing van Toetanchamons skelet heeft uitgewezen dat hij 19 jaar oud was toen hij stierf en ongeveer 1,68 m lang was. Er zat 1 cm verschil tussen de lengte van zijn benen en hij had een ietwat scheve ruggengraat. Daarnaast had hij een klompvoet en miste een teen aan de andere voet. Alle kwalen waar hij aan leed waren waarschijnlijk het gevolg van een botziekte en zijn zwakke immuunsysteem, die allebei waarschijnlijk het gevolg waren van de vele generaties aan inteelt die aan hem vooraf waren gegaan. Hij liep met een stok waarmee hij werd afgebeeld en in zijn graf zijn170 stokken gevonden. Uit dit onderzoek is gebleken dat Toetanchamon naar alle waarschijnlijkheid gestorven is aan de gevolgen van een ontsteking in zijn knie veroorzaakt door een breuk, gecombineerd met de gevolgen van een malaria besmetting. Een minder prettige dood zo te zeggen.
Toetanchamon afgebeeld met stok, echter zonder klompvoet of scheve ruggengraat.
En meer: de Armana-stijl in de Oude Egyptische kunst
Tot aan de regeringsperiode van Achnaton werden in de beeldhouwkunst de farao's voorgesteld als jonge mannelijke figuren die hun mannelijkheid moesten tonen op het slagveld en ook met (talrijke) concubines. Achnaton echter werd afgebeeld als een vreemde en groteske verschijning. Daarin heeft hij een groot kalebasvormig hoofd, een zeer lange dunne nek, smalle ogen en uitpuilende lippen. Zijn buik is als die van een zwangere vrouw, met dikke dijen en dunne onderbenen. Hij wordt afgebeeld met vreemde, vrouwelijke trekken. Hij leed hoogstwaarschijnlijk aan het Marfan-syndroom en wilde dat niet verbergen. Dat hoefde hij als machtigste persoon van Egypte natuurlijk ook niet te doen.
Daarnaast liet hij zich samen met zijn vrouw en kinderen in huiselijke omstandigheden portretteren, iets wat tot dan toe nooit eerder was voorgekomen. De luchtige Armana-kunststijl was een vernieuwing in de schilder en beeldhouwkunst dat later als "ketterse" kunst werd verbannen en vaak ook bewust vernietigd.
Tot aan de regeringsperiode van Achnaton werden in de beeldhouwkunst de farao's voorgesteld als jonge mannelijke figuren die hun mannelijkheid moesten tonen op het slagveld en ook met (talrijke) concubines. Achnaton echter werd afgebeeld als een vreemde en groteske verschijning. Daarin heeft hij een groot kalebasvormig hoofd, een zeer lange dunne nek, smalle ogen en uitpuilende lippen. Zijn buik is als die van een zwangere vrouw, met dikke dijen en dunne onderbenen. Hij wordt afgebeeld met vreemde, vrouwelijke trekken. Hij leed hoogstwaarschijnlijk aan het Marfan-syndroom en wilde dat niet verbergen. Dat hoefde hij als machtigste persoon van Egypte natuurlijk ook niet te doen.
Daarnaast liet hij zich samen met zijn vrouw en kinderen in huiselijke omstandigheden portretteren, iets wat tot dan toe nooit eerder was voorgekomen. De luchtige Armana-kunststijl was een vernieuwing in de schilder en beeldhouwkunst dat later als "ketterse" kunst werd verbannen en vaak ook bewust vernietigd.
Links een afbeelding van Achnaton volgens de Armana kunststijl. Rechts een beeld van Amenhotep III de vader van Achnaton volgens de traditionele stijl waarin farao’s als eeuwig jonge veerkrachtige en besluitvaardige heersers worden afgebeeld.
En meer: Obelisken
Obelisken, in de vorm van toelopende stenen zuilen, werden geassocieerd met de zonnegod en vertegenwoordigen hoogstwaarschijnlijk lichtstralen.
Van de 29 oude obelisken die nog overeind staan, kan Egypte er zelf aanspraak maken op 8 stuks. Rome heeft er 12 in bezit, allemaal weggeroofd uit het land van de farao's. Tijdens de Renaissance werden de obelisken door de pausen gebruikt als een symbool van macht en meestal werd er een kruis op de obelisk gezet om de superioriteit van het christelijk geloof aan te geven.
Obelisken verschenen voor het eerst in historische archieven rond 2.575 BCE. Deze monumenten zijn dan dus meer dan 2000 jaar ouder dan het christendom en het vreemde is dat toeristen dat helemaal niet beseffen, gezien de beperkte aandacht die obelisken krijgen tijdens een bezoek aan Rome wanneer iedereen alleen naar christelijke monumenten staart.
Obelisken, in de vorm van toelopende stenen zuilen, werden geassocieerd met de zonnegod en vertegenwoordigen hoogstwaarschijnlijk lichtstralen.
Van de 29 oude obelisken die nog overeind staan, kan Egypte er zelf aanspraak maken op 8 stuks. Rome heeft er 12 in bezit, allemaal weggeroofd uit het land van de farao's. Tijdens de Renaissance werden de obelisken door de pausen gebruikt als een symbool van macht en meestal werd er een kruis op de obelisk gezet om de superioriteit van het christelijk geloof aan te geven.
Obelisken verschenen voor het eerst in historische archieven rond 2.575 BCE. Deze monumenten zijn dan dus meer dan 2000 jaar ouder dan het christendom en het vreemde is dat toeristen dat helemaal niet beseffen, gezien de beperkte aandacht die obelisken krijgen tijdens een bezoek aan Rome wanneer iedereen alleen naar christelijke monumenten staart.
In het midden van het Sint-Pietersplein - Vaticaanstad staat een 25,5 meter hoge Oud Egyptische obelisk. Deze obelisk werd in 37 CE vanuit Alexandrië door keizer Caligula naar Rome gebracht. De obelisk werd in 1586 CE verwijderd uit het "Circus van Nero" en in het midden van het plein geplaatst in opdracht van paus Sixtus V. Voor het opnieuw oprichten van de obelisk waren zo'n 900 man en bijna 100 paarden nodig. De werkzaamheden duurden langer dan een jaar.
Joods-Christelijke Traditie
Op de eerste scheppingsdag direct nadat God de hemel en de aarde had geschapen, zei God: "Er zij licht”, en er was licht. En God zag dat het licht goed was. En God scheidde het licht van de duisternis. God noemde het licht: dag, en de duisternis noemde hij: nacht.
Op de vierde dag schiep God de lichten aan de hemel; de zon, maan en sterren om seizoenen, dagen en jaren aan te duiden. Het grote licht (de zon) om over de dag te heersen, het kleine licht (de maan) om over de nacht te heersen.
Zo is er dus volgens de Joods-Christelijke overlevering eerst licht aanwezig en drie dagen later de zon.
Dit is te lezen in het boek Genesis, waarin volgens de traditie Mozes (1.391-1.271 BCE) als auteur genoemd wordt. Echter moderne inzichten beschouwen dit boek als een product uit de periode 600-500 BCE.
Op de eerste scheppingsdag direct nadat God de hemel en de aarde had geschapen, zei God: "Er zij licht”, en er was licht. En God zag dat het licht goed was. En God scheidde het licht van de duisternis. God noemde het licht: dag, en de duisternis noemde hij: nacht.
Op de vierde dag schiep God de lichten aan de hemel; de zon, maan en sterren om seizoenen, dagen en jaren aan te duiden. Het grote licht (de zon) om over de dag te heersen, het kleine licht (de maan) om over de nacht te heersen.
Zo is er dus volgens de Joods-Christelijke overlevering eerst licht aanwezig en drie dagen later de zon.
Dit is te lezen in het boek Genesis, waarin volgens de traditie Mozes (1.391-1.271 BCE) als auteur genoemd wordt. Echter moderne inzichten beschouwen dit boek als een product uit de periode 600-500 BCE.
God zei: "Er zij licht", en er was licht.
Het Oude Griekenland
De allereerste Griekse documenten die over licht beschikbaar zijn, tonen het soort verwarring van ideeën en vermenging van bovennatuurlijke thema's die men aan het begin van de wetenschap, de eerste pogingen tot rationele niet-religieuze uitleg van de natuur, zou kunnen verwachten.
De eerste Griekse filosofen (530 BCE.) beschouwden daglicht (afkomstig uit het hemelgewelf) en zonlicht als twee totaal verschillende en onafhankelijke verschijnselen. Bovendien had duisternis zijn eigen fysieke en zelfs materiële bestaan, geheel gescheiden van het licht dat overdag waargenomen kon worden. Aanvankelijk werd duisternis niet herkend als de afwezigheid van licht. De ware aard van de duisternis werd vastgesteld in 415 BCE.
In deze periode werd aangenomen dat de maanstanden verklaard konden worden uit het feit dat dat hemellichaam het licht van de zon weerkaatst in plaats van zijn eigen licht uit te stralen. Tegelijkertijd werd aangenomen dat het zonlicht simpelweg het licht was afkomstig van het aardse hemelgewelf overdag, gereflecteerd en gefocust door de aarde. Hier waren in ieder geval het zonlicht en het daglicht met elkaar verbonden, maar dan omgekeerd.
De allereerste Griekse documenten die over licht beschikbaar zijn, tonen het soort verwarring van ideeën en vermenging van bovennatuurlijke thema's die men aan het begin van de wetenschap, de eerste pogingen tot rationele niet-religieuze uitleg van de natuur, zou kunnen verwachten.
De eerste Griekse filosofen (530 BCE.) beschouwden daglicht (afkomstig uit het hemelgewelf) en zonlicht als twee totaal verschillende en onafhankelijke verschijnselen. Bovendien had duisternis zijn eigen fysieke en zelfs materiële bestaan, geheel gescheiden van het licht dat overdag waargenomen kon worden. Aanvankelijk werd duisternis niet herkend als de afwezigheid van licht. De ware aard van de duisternis werd vastgesteld in 415 BCE.
In deze periode werd aangenomen dat de maanstanden verklaard konden worden uit het feit dat dat hemellichaam het licht van de zon weerkaatst in plaats van zijn eigen licht uit te stralen. Tegelijkertijd werd aangenomen dat het zonlicht simpelweg het licht was afkomstig van het aardse hemelgewelf overdag, gereflecteerd en gefocust door de aarde. Hier waren in ieder geval het zonlicht en het daglicht met elkaar verbonden, maar dan omgekeerd.
De zichtbare verschijningsvormen van de maan werden door de Oude Grieken verklaart als licht afkomstig van het aardse hemelgewelf, door de zon gereflecteerd en vervolgens op de maan geprojecteerd.
Rond 415 BCE was er ook een van de eerste pogingen om het gezichtsvermogen te beschrijven. Omdat vuur door de Grieken werd beschouwd als een van de vier elementen waaruit alle materie bestond, werd gezichtsvermogen beschouwd als een soort vereniging van vuur in het oog met vuur in de objecten die werden waargenomen.
Op een gegeven moment werden twee tegengestelde theorieën ontwikkeld.
Intromissie theorie:
Gezichtsvermogen verklaren door iets dat het oog binnenkomt.
Rond 400 BCE werd er beweerd dat alle materie uit onzichtbaar kleine, niet van elkaar te onderscheiden deeltjes bestaat, die atomen (atomos, Grieks voor ondeelbaar) werden genoemd. Vanwege de constante beweging van atomen, zenden zichtbare objecten vanuit hun buitenoppervlakken continu dunne films van atomen uit, en het waren deze films (die de vorm en kleur van het object behielden) die de ogen binnendrongen om de visuele perceptie van dat object te produceren.
Extramissie (of gewoon; emissie) theorie:
Gezichtsvermogen verklaren door iets dat het oog verlaat dat werd gepromoot door de Atheense filosoof Plato (427-347 BCE). Optische stralen, die uit het oog komen, worden door objecten weerkaatst waardoor een visuele waarneming van die objecten wordt verkregen.
Aristoteles (384-322 BCE) verfijnde de intromissie theorie (iets dat het oog binnenkomt). Een theorie die overigens het langst stand hield in de westerse cultuur omdat Aristoteles een compleet en geïntegreerd beeld schetste van de wereld waarin licht en gezichtsvermogen waren inbegrepen. Zo’n beetje in de trant van; als de ene theorie van die man klopt, zal een andere theorie van hem ook wel kloppen.
Hij beschouwde licht niet als een substantie of zelfs maar als een beweging, maar als de “aanwezigheid van vuur in wat een transparant object is”. Wat naar het oog werd gezonden, was niet licht maar kleur. Kleur werd doorgelaten door het tussenliggende transparante medium. Het ondoorzichtige lichaam dat uiteindelijk gezien werd, drukte op de een of andere manier zijn kleur af op de laag van het medium (meestal lucht) dat het oppervlak raakte, en die laag gaf het door aan de volgende laag, enzovoort richting het oog. In dit hele proces was de functie van een lichtgevend lichaam, zoals de zon of een olielampje, om het medium transparant te maken. Alleen de aanwezigheid van zo'n lichtgevend lichaam maakte de waarneming mogelijk waarvan Aristoteles veronderstelde dat het licht was en dat manifesteerde zich als de transparantie van het medium: een soort resonantie van dit “vuur” in het medium met een soortgelijkheid in het kleur uitstralende object. Aristoteles zou, net als wij, zeggen dat men niet in het donker kan zien omdat er geen licht is, maar in zijn theorie komt het onvermogen om te zien voort uit het onvermogen van het medium om de kleuren van objecten door te geven. Hieruit kan men afleiden dat Aristoteles niet wist dat het zonnelicht een samenstelling is van alle kleuren uit het visuele spectrum.
Op een gegeven moment werden twee tegengestelde theorieën ontwikkeld.
Intromissie theorie:
Gezichtsvermogen verklaren door iets dat het oog binnenkomt.
Rond 400 BCE werd er beweerd dat alle materie uit onzichtbaar kleine, niet van elkaar te onderscheiden deeltjes bestaat, die atomen (atomos, Grieks voor ondeelbaar) werden genoemd. Vanwege de constante beweging van atomen, zenden zichtbare objecten vanuit hun buitenoppervlakken continu dunne films van atomen uit, en het waren deze films (die de vorm en kleur van het object behielden) die de ogen binnendrongen om de visuele perceptie van dat object te produceren.
Extramissie (of gewoon; emissie) theorie:
Gezichtsvermogen verklaren door iets dat het oog verlaat dat werd gepromoot door de Atheense filosoof Plato (427-347 BCE). Optische stralen, die uit het oog komen, worden door objecten weerkaatst waardoor een visuele waarneming van die objecten wordt verkregen.
Aristoteles (384-322 BCE) verfijnde de intromissie theorie (iets dat het oog binnenkomt). Een theorie die overigens het langst stand hield in de westerse cultuur omdat Aristoteles een compleet en geïntegreerd beeld schetste van de wereld waarin licht en gezichtsvermogen waren inbegrepen. Zo’n beetje in de trant van; als de ene theorie van die man klopt, zal een andere theorie van hem ook wel kloppen.
Hij beschouwde licht niet als een substantie of zelfs maar als een beweging, maar als de “aanwezigheid van vuur in wat een transparant object is”. Wat naar het oog werd gezonden, was niet licht maar kleur. Kleur werd doorgelaten door het tussenliggende transparante medium. Het ondoorzichtige lichaam dat uiteindelijk gezien werd, drukte op de een of andere manier zijn kleur af op de laag van het medium (meestal lucht) dat het oppervlak raakte, en die laag gaf het door aan de volgende laag, enzovoort richting het oog. In dit hele proces was de functie van een lichtgevend lichaam, zoals de zon of een olielampje, om het medium transparant te maken. Alleen de aanwezigheid van zo'n lichtgevend lichaam maakte de waarneming mogelijk waarvan Aristoteles veronderstelde dat het licht was en dat manifesteerde zich als de transparantie van het medium: een soort resonantie van dit “vuur” in het medium met een soortgelijkheid in het kleur uitstralende object. Aristoteles zou, net als wij, zeggen dat men niet in het donker kan zien omdat er geen licht is, maar in zijn theorie komt het onvermogen om te zien voort uit het onvermogen van het medium om de kleuren van objecten door te geven. Hieruit kan men afleiden dat Aristoteles niet wist dat het zonnelicht een samenstelling is van alle kleuren uit het visuele spectrum.
Volgens de theorie van Aristoteles werd de vorm van een object middels een (in dit voorbeeld) oranje vuur, dat zich in een transparant object bevond, in schillen richting het oog getransporteerd werd en vervolgens waargenomen. Het zonlicht, of een andere lichtstraler, zorgde ervoor dat het tussenliggende medium transparant werd zodat het oog het object kon waarnemen.
Het doorgeven van een eigenschap van de ene laag in het transmissiemedium naar de volgende is eigenlijk wat we een vroeg type golftheorie zouden kunnen noemen.
Daarom zullen intromissie theorieën (iets dat het oog binnenkomt) vanaf deze tijd verder opsplitst worden in deeltjes- en golftheorieën. Het is een differentiatie dat tot in de moderne tijd in theorieën over licht wordt voortgezet.
Ook werd rond 400 BCE op basis van axioma's (niet bewezen, maar als grondslag aanvaarde beweringen waaruit verschillende stellingen worden afgeleid door strikte regels van wiskundige logica te volgen) het gedrag van optica, het gezichtsvermogen verklaard op basis van de extramissie theorie (iets dat het oog verlaat). Men was zo overtuigd van de juistheid van de optica axioma's dat experimenten als onnodig werden beschouwd. Zelfs met de extramissie theorie (iets dat het oog verlaat) als basis, was deze theorie in staat om veel wetten van perspectief en geometrische optica (een model van optica dat lichtvoortplanting beschrijft in termen van stralen) correct te voorspellen, ook de wet van reflectie.
Rond 150 BCE werden, opnieuw gebaseerd op de extramissie theorie (iets dat het oog verlaat) meer fysische theorieën uitgewerkt, onderbouwd met experimenten van reflectie en straalbreking (breking van stralen bij het betreden van een ander medium). Er werd geconcludeerd dat de visuele stralen vanuit het oog van dezelfde aard waren als de lichtstralen van lichtgevende objecten.
Uiteindelijk, helemaal aan het einde van de Griekse wetenschap periode, vond er een convergentie plaats van de theorieën over licht en gezichtsvermogen.
Europese Middeleeuwen
Of in dit geval de meer toepasselijke naamgeving: De Donkere Eeuwen
Na de val van het Romeinse rijk sluimerde de studie van de wetenschap (inclusief die van licht) lange tijd in Europa. De reden voor deze slaap kan als volgt worden verklaard: enerzijds was er de voortschrijdende kracht: wetenschap, die hielp om het inzicht van de fysica vooruit te helpen, te ontwikkelen. Aan de andere kant was er een onveranderlijke traditionele macht: religie, die deze vooruitgang vertraagde, bang dat religieuze overtuigingen en uitspraken ondermijnd werden.
Wetenschap is de belichaming van de rede waarin de (Joods-Christelijke) religie wordt gereduceerd tot een twijfelachtig naïef geloof waarin licht de aard en het karakter is van de allerhoogste spirituele leider. Geen licht of een soort licht, maar het licht zelf en deels gebaseerd op beperkte (natuurkundige) kennis en overtuigingen uit 500 BCE toen het boek Genesis werd geschreven.
In de late Middeleeuwen werd de Inquisitie opgericht. Deze kerkelijke rechtbank was belast en het opsporen van “ketters”. Een ketter was iemand die opvattingen had die “anders” waren dan de officiële kerkelijke leer en werd fel bestreden. De Kerk vond bijvoorbeeld dat zij als enige wetenschap mocht bedrijven en niemand was op den duur zijn of haar leven zeker.
In het boek met de titel: Het Vijfde Zegel, beschrijft een van de belangrijkste Nederlandse auteurs: Simon Vestdijk, gelijk aan het begin van het verhaal de laatste 24 uur van door de inquisitie tot de brandstapel veroordeelde ketters. Op het ultieme moment berouw tonen en tot inkeer komen werd niet meer als geloofwaardig gezien met zo’n doodsvoltrekking in het vooruitzicht. Wat men met spijt hoogstens nog kon bereiken was om gewurgd te worden alvorens door de vlammen verteert te worden. In tegenstelling tot de dood door vlammen kon een gewurgde alsnog toegelaten worden tot de hemel. Daarbij bestond de mogelijkheid om te betalen voor elke minuut dat de wurging bekort zou worden, een belangrijke verdienste van de beul. Daarnaast was er ook nog een woedende menigte aanwezig die nog vóór de terechtstelling bloed wilde zien en er alles aan deed om dat voor elkaar te krijgen, temeer omdat het vaak hooggeplaatste personen betrof. Al met al genoeg reden om niet in zo’n situatie terecht te komen
Dit is een maatregel die, zoals we zullen zien, haar effect zal hebben tot in de 17de eeuw, het tijdperk waarin wetenschappers met enige regelmaat door Europa reisden en de inquisitie met name actief was in Frankrijk, Spanje, Portugal, Italië en Engeland.
Daarom zullen intromissie theorieën (iets dat het oog binnenkomt) vanaf deze tijd verder opsplitst worden in deeltjes- en golftheorieën. Het is een differentiatie dat tot in de moderne tijd in theorieën over licht wordt voortgezet.
Ook werd rond 400 BCE op basis van axioma's (niet bewezen, maar als grondslag aanvaarde beweringen waaruit verschillende stellingen worden afgeleid door strikte regels van wiskundige logica te volgen) het gedrag van optica, het gezichtsvermogen verklaard op basis van de extramissie theorie (iets dat het oog verlaat). Men was zo overtuigd van de juistheid van de optica axioma's dat experimenten als onnodig werden beschouwd. Zelfs met de extramissie theorie (iets dat het oog verlaat) als basis, was deze theorie in staat om veel wetten van perspectief en geometrische optica (een model van optica dat lichtvoortplanting beschrijft in termen van stralen) correct te voorspellen, ook de wet van reflectie.
Rond 150 BCE werden, opnieuw gebaseerd op de extramissie theorie (iets dat het oog verlaat) meer fysische theorieën uitgewerkt, onderbouwd met experimenten van reflectie en straalbreking (breking van stralen bij het betreden van een ander medium). Er werd geconcludeerd dat de visuele stralen vanuit het oog van dezelfde aard waren als de lichtstralen van lichtgevende objecten.
Uiteindelijk, helemaal aan het einde van de Griekse wetenschap periode, vond er een convergentie plaats van de theorieën over licht en gezichtsvermogen.
Europese Middeleeuwen
Of in dit geval de meer toepasselijke naamgeving: De Donkere Eeuwen
Na de val van het Romeinse rijk sluimerde de studie van de wetenschap (inclusief die van licht) lange tijd in Europa. De reden voor deze slaap kan als volgt worden verklaard: enerzijds was er de voortschrijdende kracht: wetenschap, die hielp om het inzicht van de fysica vooruit te helpen, te ontwikkelen. Aan de andere kant was er een onveranderlijke traditionele macht: religie, die deze vooruitgang vertraagde, bang dat religieuze overtuigingen en uitspraken ondermijnd werden.
Wetenschap is de belichaming van de rede waarin de (Joods-Christelijke) religie wordt gereduceerd tot een twijfelachtig naïef geloof waarin licht de aard en het karakter is van de allerhoogste spirituele leider. Geen licht of een soort licht, maar het licht zelf en deels gebaseerd op beperkte (natuurkundige) kennis en overtuigingen uit 500 BCE toen het boek Genesis werd geschreven.
In de late Middeleeuwen werd de Inquisitie opgericht. Deze kerkelijke rechtbank was belast en het opsporen van “ketters”. Een ketter was iemand die opvattingen had die “anders” waren dan de officiële kerkelijke leer en werd fel bestreden. De Kerk vond bijvoorbeeld dat zij als enige wetenschap mocht bedrijven en niemand was op den duur zijn of haar leven zeker.
In het boek met de titel: Het Vijfde Zegel, beschrijft een van de belangrijkste Nederlandse auteurs: Simon Vestdijk, gelijk aan het begin van het verhaal de laatste 24 uur van door de inquisitie tot de brandstapel veroordeelde ketters. Op het ultieme moment berouw tonen en tot inkeer komen werd niet meer als geloofwaardig gezien met zo’n doodsvoltrekking in het vooruitzicht. Wat men met spijt hoogstens nog kon bereiken was om gewurgd te worden alvorens door de vlammen verteert te worden. In tegenstelling tot de dood door vlammen kon een gewurgde alsnog toegelaten worden tot de hemel. Daarbij bestond de mogelijkheid om te betalen voor elke minuut dat de wurging bekort zou worden, een belangrijke verdienste van de beul. Daarnaast was er ook nog een woedende menigte aanwezig die nog vóór de terechtstelling bloed wilde zien en er alles aan deed om dat voor elkaar te krijgen, temeer omdat het vaak hooggeplaatste personen betrof. Al met al genoeg reden om niet in zo’n situatie terecht te komen
Dit is een maatregel die, zoals we zullen zien, haar effect zal hebben tot in de 17de eeuw, het tijdperk waarin wetenschappers met enige regelmaat door Europa reisden en de inquisitie met name actief was in Frankrijk, Spanje, Portugal, Italië en Engeland.
Een 19e-eeuwse afbeelding van Galileo Galilei die verantwoording aflegt aan de inquisitie.
In deze donkere Europese periode werden veel van de Griekse wetenschappelijke ideeën voornamelijk in de Arabische wereld verder ontwikkeld en pas na contacten met de Arabieren tijdens de kruistochten (tussen 1000-1600 CE) werden de Arabische wetenschappelijke ontwikkelingen meegenomen en het naar de Europese cultuur teruggebracht.
Islamitische Gouden Eeuwen
Ten tijde van de donkere middeleeuwen in Europa, beleefde de Arabische wereld de islamitische Gouden Eeuwen (786-1258 CE)
De middeleeuwse islamitische wetenschap kende zowel praktische doeleinden als het ontwikkelen van kennis. Astronomie was bijvoorbeeld nuttig om te bepalen in welke richting men moest bidden, plantkunde had praktische toepassingen in de landbouw en geografie om nauwkeurige kaarten te maken. Islamitische wiskundigen boekten vooruitgang in algebra, meetkunde en Arabische cijfers. Islamitische artsen beschreven ziekten als pokken en mazelen en beschreven de bereiding van honderden medicijnen gemaakt van medicinale planten en chemische verbindingen. Islamitische natuurkundigen bestudeerden zowel optica en mechanica als astronomie en bekritiseerden Aristoteles’ kijk op beweging.
De optiek ontwikkelde zich in deze periode snel. Tegen 800 CE waren er werken gepubliceerd over fysiologische, geometrische en fysische optica, ook wel golfoptica genoemd, de tak van de optica die interferentie, diffractie, polarisatie en andere verschijnselen bestudeert waarvoor de straalbenadering van geometrische optica niet op gaat.
Onderwerpen die aan bod kwamen waren onder meer spiegelreflectie en de ontwikkeling van lenzen voor vergroting en verbetering van het zicht.
Men kwam dicht bij het ontdekken van de wet van lichtbreking, hoewel deze stap niet werd genomen.
De eerste asferische lenzen werden geproduceerd die licht concentreerden zonder geometrische aberraties. Dit is een lens waarvan het oppervlakteprofiel geen perfect rond geometrisch object in een driedimensionale ruimte is zoals het oppervlak van een ronde bal.
Geometrische aberratie is de afbeeldingsfout van een lens, die wordt veroorzaakt doordat bij een zuivere bolvorm van de lens parallelle lichtstralen die op verschillende afstanden van de optische as binnenvallen, niet in hetzelfde brandpunt samenvallen.
Islamitische Gouden Eeuwen
Ten tijde van de donkere middeleeuwen in Europa, beleefde de Arabische wereld de islamitische Gouden Eeuwen (786-1258 CE)
De middeleeuwse islamitische wetenschap kende zowel praktische doeleinden als het ontwikkelen van kennis. Astronomie was bijvoorbeeld nuttig om te bepalen in welke richting men moest bidden, plantkunde had praktische toepassingen in de landbouw en geografie om nauwkeurige kaarten te maken. Islamitische wiskundigen boekten vooruitgang in algebra, meetkunde en Arabische cijfers. Islamitische artsen beschreven ziekten als pokken en mazelen en beschreven de bereiding van honderden medicijnen gemaakt van medicinale planten en chemische verbindingen. Islamitische natuurkundigen bestudeerden zowel optica en mechanica als astronomie en bekritiseerden Aristoteles’ kijk op beweging.
De optiek ontwikkelde zich in deze periode snel. Tegen 800 CE waren er werken gepubliceerd over fysiologische, geometrische en fysische optica, ook wel golfoptica genoemd, de tak van de optica die interferentie, diffractie, polarisatie en andere verschijnselen bestudeert waarvoor de straalbenadering van geometrische optica niet op gaat.
Onderwerpen die aan bod kwamen waren onder meer spiegelreflectie en de ontwikkeling van lenzen voor vergroting en verbetering van het zicht.
Men kwam dicht bij het ontdekken van de wet van lichtbreking, hoewel deze stap niet werd genomen.
De eerste asferische lenzen werden geproduceerd die licht concentreerden zonder geometrische aberraties. Dit is een lens waarvan het oppervlakteprofiel geen perfect rond geometrisch object in een driedimensionale ruimte is zoals het oppervlak van een ronde bal.
Geometrische aberratie is de afbeeldingsfout van een lens, die wordt veroorzaakt doordat bij een zuivere bolvorm van de lens parallelle lichtstralen die op verschillende afstanden van de optische as binnenvallen, niet in hetzelfde brandpunt samenvallen.
De complexe vorm van een asferische lens ontwikkeld door Arabische wetenschappers.
De uit Irak afkomstige Ibn al-Haytham (aka: Alhazen, 965-1040) stelde in zijn Book of Optics (كتاب المناظر) voor dat het gezichtsvermogen plaatsvindt door middel van lichtstralen die een kegel vormen met de top in het midden van het oog. Hij suggereerde dat licht van object oppervlakken in verschillende richtingen werd gereflecteerd, waardoor objecten er vanuit verschillende standpunten er qua vorm anders uitzien.
Vroegst bekende correcte schematische voorstelling van het menselijke visuele systeem, Book of Optics, 1011-1021.
Zie je de neus?
Hij voerde verder aan dat de wiskunde van reflectie (weerkaatsing) en refractie (breking) consistent moest zijn met de anatomie van het oog. Hij was ook een vroege voorstander van de wetenschappelijke methode, het concept dat een hypothese moet worden bewezen door experimenten op basis van reproduceerbare processen of wiskundig bewijs, ruim 500 jaar voordat Europese wetenschappers uit de Renaissance tot die conclusie kwamen.
Deze theorieën waren zeer invloedrijk op Europese geleerden uit de latere middeleeuwen die de Arabische theorie over gezichtsvermogen bijna in zijn geheel een-op-een overnamen.
Deze theorieën waren zeer invloedrijk op Europese geleerden uit de latere middeleeuwen die de Arabische theorie over gezichtsvermogen bijna in zijn geheel een-op-een overnamen.
Weerkaatsing en breking van een lichtstraal.
Rond 850 ontwikkelde de uit Koefa, in zuidelijk Mesopotamië afkomstige Arabisch filosoof, wiskundige, astroloog, fysicus, musicus, scheikundige en wetenschapper Aboe Joesoef Ja'qoeb ibn Is-haq ibn as-Sabbah ibn 'omran ibn Ismail al-Kindi, of kortweg Al-Kindi (801-873) een concept dat gebaseerd was op de intromissie theorie (iets dat het oog binnenkomt) over gezichtsvermogen, een techniek voor het punt-voor-punt analyseren van de lichtstralen afkomstig van een object. Elk punt op een lichtgevend lichaam werd beschouwd als stralen uitgezonden in alle richtingen en onafhankelijk van andere nabijgelegen punten. Het is een techniek die nog steeds wordt gebruikt in geometrische optica.
De man die dit hulpmiddel met succes gebruikte, was Alhazen. Hij was de eerste die de geometrische optica van de Grieken combineerde met de intromissie theorie (iets dat het oog binnenkomt). Alhazen negeerde alles behalve dat de centrale straal vanaf een punt dat het oog binnenkomt. Deze theorie was niet correct ingevuld, omdat in de Arabische wereld niemand echt wist hoe het oog werkte om de stralen te buigen die naar binnen kwamen. Maar toch vertegenwoordigde Alhazen’s theorie een groot voordeel ten opzichte van het idee over stralen die uit het oog schieten (extramissie). Waarschijnlijk had er nog meer vooruitgang geboekt kunnen worden als er meer kennis over de interne structuur van het oog was geweest. Arabische wetenschappers moesten echter vertrouwen op misleidende oude Romeinse diagrammen omdat de islamitische religie het ontleden van lijken verbood.
Na 1000 CE werden alle Griekse ideeën over gezichtsvermogen verworpen.
De man die dit hulpmiddel met succes gebruikte, was Alhazen. Hij was de eerste die de geometrische optica van de Grieken combineerde met de intromissie theorie (iets dat het oog binnenkomt). Alhazen negeerde alles behalve dat de centrale straal vanaf een punt dat het oog binnenkomt. Deze theorie was niet correct ingevuld, omdat in de Arabische wereld niemand echt wist hoe het oog werkte om de stralen te buigen die naar binnen kwamen. Maar toch vertegenwoordigde Alhazen’s theorie een groot voordeel ten opzichte van het idee over stralen die uit het oog schieten (extramissie). Waarschijnlijk had er nog meer vooruitgang geboekt kunnen worden als er meer kennis over de interne structuur van het oog was geweest. Arabische wetenschappers moesten echter vertrouwen op misleidende oude Romeinse diagrammen omdat de islamitische religie het ontleden van lijken verbood.
Na 1000 CE werden alle Griekse ideeën over gezichtsvermogen verworpen.
Het oog volgens Arabische geleerden, 1200 CE.
Nieuw Begin
De belangrijkste vorderingen in het doorgronden van de aard van licht zouden pas komen na de grote bloei van het onderzoek in Europa, bekend als de Renaissance (1300-1600), waarin de Italiaanse natuurkundige, astronoom, wiskundige en filosoof Galileo Galilei (1564-1642) Aristoteles’ (384-322 BCE) denkbeeld over astronomie en mechanica volledig ontmantelde en de basis legde voor de moderne wetenschap. Galileo was een van de eersten die een experiment ontwierp en vervolgens uittestte. Bij zijn experiment om de lichtsnelheid te meten waren twee waarnemers betrokken, elk voorzien van een lantaarn met vensterluiken, gedurende de nacht op bergtoppen, kilometers ver uit elkaar verwijderd. Een waarnemer opende zijn lantaarn en startte de tijdregistratie. Als de tweede waarnemer de flits van de eerste lantaarn zag, moest hij de zijne openen. De eerste waarnemer stopte met timen nadat hij het licht van de tweede lantaarn zag. Zoals men zich kan voorstellen, is de snelheid van licht te groot om met deze ruwe methode te worden gemeten.
De belangrijkste vorderingen in het doorgronden van de aard van licht zouden pas komen na de grote bloei van het onderzoek in Europa, bekend als de Renaissance (1300-1600), waarin de Italiaanse natuurkundige, astronoom, wiskundige en filosoof Galileo Galilei (1564-1642) Aristoteles’ (384-322 BCE) denkbeeld over astronomie en mechanica volledig ontmantelde en de basis legde voor de moderne wetenschap. Galileo was een van de eersten die een experiment ontwierp en vervolgens uittestte. Bij zijn experiment om de lichtsnelheid te meten waren twee waarnemers betrokken, elk voorzien van een lantaarn met vensterluiken, gedurende de nacht op bergtoppen, kilometers ver uit elkaar verwijderd. Een waarnemer opende zijn lantaarn en startte de tijdregistratie. Als de tweede waarnemer de flits van de eerste lantaarn zag, moest hij de zijne openen. De eerste waarnemer stopte met timen nadat hij het licht van de tweede lantaarn zag. Zoals men zich kan voorstellen, is de snelheid van licht te groot om met deze ruwe methode te worden gemeten.
Onnauwkeurige manier van het meten van de lichtsnelheid door Galileo Galilei.
Tot aan de zeventiende eeuw omvatte de optica niet zozeer een theorie van het licht, maar van het zien. De belangrijkste bijdrager aan de wetenschap van de optica was de Duitse astronoom, astroloog en wis- en natuurkundige, Johannes Kepler (1571-1630), die voor het eerst een volledige beschrijving van de werking van het oog produceerde, inclusief alle binnenkomende stralen. Dit werk vertegenwoordigde de voltooiing van de eenwording van geometrische optica met intromissietheorieën (iets dat het oog binnenkomt) over gezichtsvermogen, die was gestart door Alhazen.
Willebrord Snel van Royen (ook bekend als Snellius 1580-1626, Wet van Snellius) was een Nederlandse wis- en natuurkundige, humanist, taalkundige en astronoom en wordt wellicht ten onrechte aangemerkt voor de ontdekking van de breking van licht tijdens media-overgangen. Reeds 600 jaar daarvoor werd door Arabische wetenschappers beschreven hoe gebogen spiegels en lenzen licht konden bundelen.
René Descartes (ook bekend als Renatus Cartesius, 1596-1650) was een uit Frankrijk afkomstige filosoof en wiskundige, die een groot deel van zijn leven in de Republiek der Zeven Verenigde Nederlanden woonde. Zoals Aristoteles tweeduizend jaar eerder had gedaan, probeerde hij een allesomvattend systeem op te zetten dat alle natuurkundige gebeurtenissen zou verklaren, met het verschil dat zijn systeem beweerde alleen materie en beweging te gebruiken als verklaring. Volgens hem was de hele ruimte gevuld met bolletjes van een materiaal die de “ether” wordt genoemd en die door direct contact, krachten kon overbrengen. Een lichtgevend lichaam zoals de zon werd veroorzaakt door een draaiende beweging in deze ether. De naar buiten gerichte druk van deze vortex, overgedragen door de etherbolletjes die tegen elkaar drukken, was het fenomeen: licht. In deze theorie had licht een oneindige snelheid; het werd zonder vertraging van het ene punt naar het andere overgebracht.
Willebrord Snel van Royen (ook bekend als Snellius 1580-1626, Wet van Snellius) was een Nederlandse wis- en natuurkundige, humanist, taalkundige en astronoom en wordt wellicht ten onrechte aangemerkt voor de ontdekking van de breking van licht tijdens media-overgangen. Reeds 600 jaar daarvoor werd door Arabische wetenschappers beschreven hoe gebogen spiegels en lenzen licht konden bundelen.
René Descartes (ook bekend als Renatus Cartesius, 1596-1650) was een uit Frankrijk afkomstige filosoof en wiskundige, die een groot deel van zijn leven in de Republiek der Zeven Verenigde Nederlanden woonde. Zoals Aristoteles tweeduizend jaar eerder had gedaan, probeerde hij een allesomvattend systeem op te zetten dat alle natuurkundige gebeurtenissen zou verklaren, met het verschil dat zijn systeem beweerde alleen materie en beweging te gebruiken als verklaring. Volgens hem was de hele ruimte gevuld met bolletjes van een materiaal die de “ether” wordt genoemd en die door direct contact, krachten kon overbrengen. Een lichtgevend lichaam zoals de zon werd veroorzaakt door een draaiende beweging in deze ether. De naar buiten gerichte druk van deze vortex, overgedragen door de etherbolletjes die tegen elkaar drukken, was het fenomeen: licht. In deze theorie had licht een oneindige snelheid; het werd zonder vertraging van het ene punt naar het andere overgebracht.
Vanwege zijn filosofische overtuigingen nam René Descartes in 1644 aan dat er geen lege ruimte kan bestaan en dat de ruimte dus gevuld moet zijn met materie. De onderdelen van deze materie hebben de neiging om in rechte banen te bewegen, maar omdat ze dicht bij elkaar liggen, kunnen ze niet vrij bewegen, wat volgens Descartes impliceert dat elke beweging cirkelvormig is, dus de ether gevuld is met draaikolken.
Deze hypothetische ether was niet detecteerbaar, behalve voor zover hij licht en andere krachten zoals een vorm van zwaartekracht transporteerde. Bijzonder interessant was zijn opvatting dat kleuren voortkwamen uit rotatie van de etherbolletjes, waarbij de snelst draaiende deeltjes aanleiding gaven tot rode sensaties, de langzaamste blauw en deeltjes met tussenliggende rotatiesnelheden oranje, geel en groen. Zijn grootse intellectuele opvatting bleek echter een overambitieuze poging om experimenteel te kunnen worden bewezen door de gebrekkige mogelijkheden van dat moment. Twee van zijn ideeën over licht kwamen terug in meer succesvolle latere theorieën:
1. Licht als verstoring, getransporteerd door de ether.
2. De associatie van verschillende kleuren in het visuele spectrum met verschillende periodieke, zichzelf constant herhalende bewegingen van een bepaalde soort.
2. De associatie van verschillende kleuren in het visuele spectrum met verschillende periodieke, zichzelf constant herhalende bewegingen van een bepaalde soort.
René Descartes, was verantwoordelijk voor de eerste gedetailleerde analyse van de regenboog in Europa. Een lichtstraal (A en F afkomstig van linksboven) die een regendruppel binnen dringt (de cirkel), wordt een of meerdere keren intern gereflecteerd en treed uiteindelijk naar buiten. Wanneer een lichtstraal van lucht naar water beweegt, verandert deze van richting volgens de wet van Snellius.
2 Klassieke Theorieën
Corpusculaire Theorie
De klassieke periode van de fysica begon eind 17e eeuw met het werk van Isaac Newton (1642-1727). Hij beschreef een overkoepelende en allesomvattende wetenschappelijke theorie over beweging en gravitatiekracht die nog steeds als geldig wordt beschouwd, met uitzondering op het gebied van zeer hoge snelheid of zeer kleine afmetingen. De berekeningen die ruimtesondes naar de maan of planeten sturen, zijn gebaseerd op de Newtoniaanse mechanica theorieën.
Newton aanvaardde Descartes’ idee over een ether voor de overdracht van krachten zoals elektriciteit of magnetisme, maar hij kon het beeld over licht niet accepteren als een verstoring in de vorm van een vortex die zich door de ether voortplant.
Een reden waarom hij dat niet kon, was omdat het licht zich in rechte lijnen verplaatst. Hij wist dat verstoringen in een medium, zoals golven in water of geluid in lucht, de neiging heeft om zich rond obstakels te buigen, terwijl obstakels voor licht scherpe schaduwen produceren. Newton dacht dat licht de beweging was van een substantie door de ether, wellicht kleine deeltjes of lichaampjes, die uit het lichtgevende object voortkwamen. Daarom werd de naam van Newton geassocieerd met de corpusculaire theorie van licht. Stromen van deeltjes die zich snel en in rechte lijnen uit een lichtgevend object voortbewegen, kunnen eenvoudig de scherpe schaduwen van ondoorzichtige lichamen verklaren.
Golftheorie
Maar toch bleef het idee van Descartes, dat licht een druk of verstoring (vortex) in de ether was, veel wetenschappers fascineren. De grootste opponent van deze visie in Newton’s tijd was de 13 jaar oudere Christiaan Huygens (1629-1695). Huygens was een vooraanstaande Nederlandse wis-, natuur- en sterrenkundige, uitvinder en auteur van vroege sciencefiction over intelligente levensvormen op andere planeten. Omdat Huygens wel wetenschap wilde bedrijven maar geen aanvaring met de Kerk wenste, werden zijn sciencefiction ideeën pas na zijn dood gepubliceerd.
Hoewel de dreiging aan het eind van de 17de eeuw in principe niet meer bestond werd je rond 1600 nog door de inquisitie op de brandstapel gezet als je beweerde dat de aarde niet het middelpunt van het universum was. Galileo Galilei heeft zich tot tweemaal toe wegens ketterij richting de inquisitie moeten verantwoorden waarbij hij blij was dat het de eerste keer bij een waarschuwing bleef en het de tweede keer afliep met een levenslang huisarrest. En potentiële aanvaring met de Kerk was ook voor Descartes in 1633 reden om van publicatie van eerder werk af te zien. Gelukkig sprak de paus in 1992 excuses uit voor de behandeling van Galilei, waarmee hij werd erkend als een gelovig mens en niet eeuwig in de hel hoeft te branden voor zijn toenmalige baanbrekende ideeën.
Ook Johannes Kepler ontsprong de dans niet, althans zijn bejaarde moeder niet. Kepler had ontdekt dat planeten zicht niet in cirkelbanen bewogen, volgens de opvattingen van de Kerk, maar in ellipsvormige banen. De weduwe Katharina werd in 1615 voor het eerst beschuldigd van hekserij en deze beschuldiging sleepte zich jarenlang voort. Ondanks haar beroemde zoon en na 14 maanden in verschillende kerkers te hebben vastgezeten, waar ze onder bedreiging van ernstige martelingen moest verklaren dat ze een heks was, wat ze niet deed, volgde in 1621 de vrijspraak en stierf 6 maanden na haar vrijlating. Twee sterke mannen bewaakten de drieënzeventigjarige vrouw dag en nacht. De beklaagde en haar familieleden moesten de kosten betalen. Het was ongebruikelijk dat een advocaat voor de verdediging werd toegelaten in een heksenproces. Volgens het protocol verscheen Katharina “helaas met de hulp van haar zoon Johann Kepler, Mathematici”.
Omdat Johannes invloedrijke beschermheren in zijn netwerk had, heeft de inquisitie niet rechtstreeks invloed op hem kunnen uitoefenen want anders zou ook hij zijn aangeklaagd en was het ongetwijfeld heel anders afgelopen.
Corpusculaire Theorie
De klassieke periode van de fysica begon eind 17e eeuw met het werk van Isaac Newton (1642-1727). Hij beschreef een overkoepelende en allesomvattende wetenschappelijke theorie over beweging en gravitatiekracht die nog steeds als geldig wordt beschouwd, met uitzondering op het gebied van zeer hoge snelheid of zeer kleine afmetingen. De berekeningen die ruimtesondes naar de maan of planeten sturen, zijn gebaseerd op de Newtoniaanse mechanica theorieën.
Newton aanvaardde Descartes’ idee over een ether voor de overdracht van krachten zoals elektriciteit of magnetisme, maar hij kon het beeld over licht niet accepteren als een verstoring in de vorm van een vortex die zich door de ether voortplant.
Een reden waarom hij dat niet kon, was omdat het licht zich in rechte lijnen verplaatst. Hij wist dat verstoringen in een medium, zoals golven in water of geluid in lucht, de neiging heeft om zich rond obstakels te buigen, terwijl obstakels voor licht scherpe schaduwen produceren. Newton dacht dat licht de beweging was van een substantie door de ether, wellicht kleine deeltjes of lichaampjes, die uit het lichtgevende object voortkwamen. Daarom werd de naam van Newton geassocieerd met de corpusculaire theorie van licht. Stromen van deeltjes die zich snel en in rechte lijnen uit een lichtgevend object voortbewegen, kunnen eenvoudig de scherpe schaduwen van ondoorzichtige lichamen verklaren.
Golftheorie
Maar toch bleef het idee van Descartes, dat licht een druk of verstoring (vortex) in de ether was, veel wetenschappers fascineren. De grootste opponent van deze visie in Newton’s tijd was de 13 jaar oudere Christiaan Huygens (1629-1695). Huygens was een vooraanstaande Nederlandse wis-, natuur- en sterrenkundige, uitvinder en auteur van vroege sciencefiction over intelligente levensvormen op andere planeten. Omdat Huygens wel wetenschap wilde bedrijven maar geen aanvaring met de Kerk wenste, werden zijn sciencefiction ideeën pas na zijn dood gepubliceerd.
Hoewel de dreiging aan het eind van de 17de eeuw in principe niet meer bestond werd je rond 1600 nog door de inquisitie op de brandstapel gezet als je beweerde dat de aarde niet het middelpunt van het universum was. Galileo Galilei heeft zich tot tweemaal toe wegens ketterij richting de inquisitie moeten verantwoorden waarbij hij blij was dat het de eerste keer bij een waarschuwing bleef en het de tweede keer afliep met een levenslang huisarrest. En potentiële aanvaring met de Kerk was ook voor Descartes in 1633 reden om van publicatie van eerder werk af te zien. Gelukkig sprak de paus in 1992 excuses uit voor de behandeling van Galilei, waarmee hij werd erkend als een gelovig mens en niet eeuwig in de hel hoeft te branden voor zijn toenmalige baanbrekende ideeën.
Ook Johannes Kepler ontsprong de dans niet, althans zijn bejaarde moeder niet. Kepler had ontdekt dat planeten zicht niet in cirkelbanen bewogen, volgens de opvattingen van de Kerk, maar in ellipsvormige banen. De weduwe Katharina werd in 1615 voor het eerst beschuldigd van hekserij en deze beschuldiging sleepte zich jarenlang voort. Ondanks haar beroemde zoon en na 14 maanden in verschillende kerkers te hebben vastgezeten, waar ze onder bedreiging van ernstige martelingen moest verklaren dat ze een heks was, wat ze niet deed, volgde in 1621 de vrijspraak en stierf 6 maanden na haar vrijlating. Twee sterke mannen bewaakten de drieënzeventigjarige vrouw dag en nacht. De beklaagde en haar familieleden moesten de kosten betalen. Het was ongebruikelijk dat een advocaat voor de verdediging werd toegelaten in een heksenproces. Volgens het protocol verscheen Katharina “helaas met de hulp van haar zoon Johann Kepler, Mathematici”.
Omdat Johannes invloedrijke beschermheren in zijn netwerk had, heeft de inquisitie niet rechtstreeks invloed op hem kunnen uitoefenen want anders zou ook hij zijn aangeklaagd en was het ongetwijfeld heel anders afgelopen.
“Verscheiden wijzen van pijniginge, bij de inquisitie gebruikelijk.” - kopergravure uit de 18e eeuw.
Maar goed, terug naar Huygens. Samen met zijn broer Constantijn sleep Christiaan Huygens lenzen voor telescopen waarmee hij als eerste de ring (later bleken het ringen te zijn) rondom Saturnus kon duiden (men zag wel iets maar wist niet wat het was) en ook een maan van Saturnus: Titan, ontdekte.
Christiaan Huygens' verklaring voor de wisselende gestalte van Saturnus, Systema Saturnium, 1659.
Christiaan Huygens werd door zijn tijdgenoten geaccepteerd als de grootste wetenschapper van Europa in de periode van bijna 80 jaar tussen Galileo Galilei en Isaac Newton. Christiaan Huygens was de eerste wetenschapper die wiskundige formules gebruikte om natuurkundige fenomenen te beschrijven en produceerde onder andere zelf zijn uurwerken en lenzen om nauwkeuriger metingen te kunnen verrichten dan zijn tijdgenoten toe in staat waren. Huygens wilde zijn theoretisch onderbouwde ideeën testen door middel van reproduceerbare experimenten. Hij was van mening dat zijn werk niet af was met als gevolg dat hij niet of laat publiceerde en zo lang wachtte dat anderen er met zijn ideeën mee vandoor gingen of door anderen ingehaald werd. Newton had daar bijvoorbeeld minder moeite mee en publiceerde zonder onomstotelijk experimenteel bewijs. Newton en later ook Einstein hebben niet ontkent dat Huygens zinvol (voor)onderzoek voor hen heeft gedaan.
Het boek: Een Eeuw van Licht, over het leven van Christiaan Huygens, geschreven door Hugh Aldersey-Williams is zeker een aanrader. Behalve dan het korte hoofdstuk over muziek dat mij minder boeide.
Het bewijs dat Huygens ervan overtuigde dat licht een drukgolf was die door de ether bewoog, was het feit dat twee lichtbundels waarvan de paden elkaar kruisen, niet worden beïnvloed door de kruising, maar hun weg vervolgen. Hetzelfde resultaat is eenvoudig te zien bij watergolven, die qua richting elkaar kunnen kruisen en in hun oorspronkelijke richting voortgaan, terwijl twee willekeurige deeltjesstromen (stel je het resultaat van twee kruisende waterstralen voor), elkaar afbuigen bij het snijden. Er is gesuggereerd dat het voor een Nederlandse natuurkundige heel vanzelfsprekend was om als verklaring op golven te vertrouwen, aangezien Nederland een zeevarende natie was en een land dat door kanalen was doorsneden, waardoor autochtonen vanaf hun kindertijd dagelijks golfverschijnselen konden observeren. Daarmee wordt echter onrecht gedaan aan de talenten van Huygens. Hij was “universeel”, waarnemer, denker en maker ineen. Hij is een van Nederlands belangrijkste, maar meest onderschatte wetenschappers die Isaac Newton qua prestaties in enkele belangrijke opzichten zelfs overtrof.
Het boek: Een Eeuw van Licht, over het leven van Christiaan Huygens, geschreven door Hugh Aldersey-Williams is zeker een aanrader. Behalve dan het korte hoofdstuk over muziek dat mij minder boeide.
Het bewijs dat Huygens ervan overtuigde dat licht een drukgolf was die door de ether bewoog, was het feit dat twee lichtbundels waarvan de paden elkaar kruisen, niet worden beïnvloed door de kruising, maar hun weg vervolgen. Hetzelfde resultaat is eenvoudig te zien bij watergolven, die qua richting elkaar kunnen kruisen en in hun oorspronkelijke richting voortgaan, terwijl twee willekeurige deeltjesstromen (stel je het resultaat van twee kruisende waterstralen voor), elkaar afbuigen bij het snijden. Er is gesuggereerd dat het voor een Nederlandse natuurkundige heel vanzelfsprekend was om als verklaring op golven te vertrouwen, aangezien Nederland een zeevarende natie was en een land dat door kanalen was doorsneden, waardoor autochtonen vanaf hun kindertijd dagelijks golfverschijnselen konden observeren. Daarmee wordt echter onrecht gedaan aan de talenten van Huygens. Hij was “universeel”, waarnemer, denker en maker ineen. Hij is een van Nederlands belangrijkste, maar meest onderschatte wetenschappers die Isaac Newton qua prestaties in enkele belangrijke opzichten zelfs overtrof.
Kruisende lichtstralen, kruisende watergolven en kruisende waterstralen.
Huygens beschouwde elk punt op een golffront of verstoringslijn als een nieuwe bron van golfjes en telde ze vervolgens bij elkaar op om een nieuw golffront te verkrijgen. Door dit principe te gebruiken in combinatie met het foutieve idee dat hij licht beschouwde als een onregelmatige serie van kleine schokgolfjes (vortexen, volgens het idee van Descartes), kon Huygens aantonen dat zijn golven in de ether scherpe geometrische schaduwen zouden geven, een indicatie van rechtlijnige voortplanting. Zijn argumenten lijken nu een merkwaardige mengeling van waar en onwaar, maar het principe dat elk punt op een golffront kan worden beschouwd als een nieuwe golfbron, zou veel later van pas komen bij het verfijnen van de golftheorie.
Het fundament van Huygens’ golftheorie was het beginsel van golfvoortplanting. Zo verklaarde hij de zichtbare eigenschappen van licht, zoals de rechtlijnigheid van lichtstralen en de wetten van weerkaatsing en breking. Het was een revolutionaire nieuwe kijk op licht, 1677.
Er zijn dus vanaf het allereerste begin van de klassieke fysica twee tegengestelde opvattingen over licht: de golftheorie en de corpusculaire theorie. Gedurende de gehele 18e eeuw werd de corpusculaire theorie van het licht door de meeste wetenschappers aangehangen, voornamelijk vanwege de grote autoriteit van Newton, wiens theorieën over de mechanica zowel diepgaand als nauwkeurig bleken te zijn. Opnieuw in de trant van; als de ene theorie klopt dan zal de andere theorie ook wel kloppen. Net zoals bij Aristoteles het geval was.
Deze acceptatie was echter niet algemeen, aangezien enkele wetenschappers en filosofen nog steeds de golftheorie ondersteunden. Onder deze voorstanders van de golf benadering was de Amerikaanse politicus, wetenschapper en moralist Benjamin Franklin (1706-1790). Experimenten met elektriciteit (legendarisch is het vlieger-experiment tijdens een onweersbui), een politieke revolutie (coauteur van de Amerikaanse Onafhankelijkheidsverklaring, 1776) en de Amerikaanse Grondwet (een van de Founding Fathers van de Verenigde Staten) waren zijn belangrijkste aanspraken op autoriteit.
Deze acceptatie was echter niet algemeen, aangezien enkele wetenschappers en filosofen nog steeds de golftheorie ondersteunden. Onder deze voorstanders van de golf benadering was de Amerikaanse politicus, wetenschapper en moralist Benjamin Franklin (1706-1790). Experimenten met elektriciteit (legendarisch is het vlieger-experiment tijdens een onweersbui), een politieke revolutie (coauteur van de Amerikaanse Onafhankelijkheidsverklaring, 1776) en de Amerikaanse Grondwet (een van de Founding Fathers van de Verenigde Staten) waren zijn belangrijkste aanspraken op autoriteit.
Benjamin Franklin gebruikte een vlieger om een beetje elektrische lading van een onweerswolk op te vangen, wat aantoont dat bliksem een elektrisch fenomeen is.
In de daaropvolgende 50 jaar werd de situatie volledig omgedraaid, zodat in 1850 de golftheorie algemeen aanvaard werd. Deze omkering was voornamelijk het werk van de Engelse arts Thomas Young (1773-1829). Young was een zeer opmerkelijke man die bijdragen leverde op het gebied van geneeskunde, taalkunde (hij heeft substantiële bijdragen geleverd aan het vertalen van inscripties op de Steen van Rosetta), mechanica en optica. Hij wordt wel beschouwd als de laatste Homo Universalis, een persoon die bekend is met vrijwel de gehele momentane wetenschappelijke kennis zoals bijvoorbeeld Aristoteles, die gezien wordt als de eerste en Leonardo da Vinci als de belichaming van de ideale Homo Universalis.
Young werd ook de eerste persoon die overtuigend interferentie-effecten aantoonde in lichtexperimenten en produceerde duisternis met licht. Effecten die konden worden verklaard op grond van de golftheorie. Zijn experiment met de dubbele spleet maakte gebruik van een puntbron van monochromatisch licht (licht met één enkele golflengte) en splitste het licht in twee delen door het door twee spleten in een ondoorzichtig scherm te leiden. Het licht van de twee spleten werd vervolgens geprojecteerd op een scherm tegenover de puntbron.
Young werd ook de eerste persoon die overtuigend interferentie-effecten aantoonde in lichtexperimenten en produceerde duisternis met licht. Effecten die konden worden verklaard op grond van de golftheorie. Zijn experiment met de dubbele spleet maakte gebruik van een puntbron van monochromatisch licht (licht met één enkele golflengte) en splitste het licht in twee delen door het door twee spleten in een ondoorzichtig scherm te leiden. Het licht van de twee spleten werd vervolgens geprojecteerd op een scherm tegenover de puntbron.
We kunnen als volgt aantonen dat licht golfeigenschappen heeft. Als licht op een plaatje met twee dunne spleetjes schijnt, dan ontstaan achter beide spleten cirkelvormige golven, die met elkaar gaan interfereren. Dit wordt het dubbele spleet experiment genoemd. Als er achter de spleten een scherm geplaatst wordt, dan zien we maxima (licht) en minima (donker).
Als licht alleen deeltjeseigenschappen zou hebben gehad, dan zouden we het bovenstaande patroon verwacht hebben. Licht zou dan slechts op twee plekken op het scherm te zien zijn.
Young's uitvoering van het experiment met dubbele spleet bevestigde na ruim 100 jaar niet alleen Huygens golftheorie over licht, maar stelde hem ook in staat om de golflengte te meten. Alle zichtbare golflengtes zijn klein op de menselijke schaal, gemeten in nanometers (1 miljardste van een meter, afgekort in nm, nanometer).
Logisch gezien versmelten de kleurwaarnemingen geleidelijk in elkaar met veranderende golflengten, en vervagen tot duisternis als gevolg van beperkingen van onze visuele sensor, het oog. In het algemeen wordt het visuele spectrum in golflengtes van 400 nm tot 700 nm gedefinieerd. Deze golflengtes zijn allemaal kleiner dan een duizendste deel van een millimeter en deze korte lengte kan worden opgevat als een belangrijke reden dat de golfkarakteristiek van licht niet eerder werd ontdekt.
Lichtsnelheid Metingen
In 1675 deed de Deense astronoom Olaf Roemer (1644-1710) een astronomische meting van de lichtsnelheid met behulp van variaties in de verduistering van een maan van Jupiter. Dit was de eerste keer dat er een reële meetwaarde voor de lichtsnelheid werd verkregen. In 1727 werd een andere astronomische snelheidsbepaling verkregen door de Engelse astronoom James Bradley (1692-1762), die een effect gebruikte genaamd: stellaire aberratie (afwijking). Het resultaat van Bradley bevestigde in ieder geval ruwweg de eerdere metingen, gebaseerd op de maansverduistering van Jupiter.
In het geval van “stellaire” of “jaarlijkse” aberratie, varieert de schijnbare positie van een ster voor een waarnemer op aarde periodiek in de loop van een jaar naarmate de snelheid van de aarde ten opzichte van de ster verandert terwijl deze om de zon draait.
Logisch gezien versmelten de kleurwaarnemingen geleidelijk in elkaar met veranderende golflengten, en vervagen tot duisternis als gevolg van beperkingen van onze visuele sensor, het oog. In het algemeen wordt het visuele spectrum in golflengtes van 400 nm tot 700 nm gedefinieerd. Deze golflengtes zijn allemaal kleiner dan een duizendste deel van een millimeter en deze korte lengte kan worden opgevat als een belangrijke reden dat de golfkarakteristiek van licht niet eerder werd ontdekt.
- 380 tot 450 nm violet
- 450 tot 490 nm blauw
- 490 tot 560 nm groen
- 560 tot 590 nm geel
- 590 tot 630 nm oranje
- 630 tot 760 nm rood
Lichtsnelheid Metingen
In 1675 deed de Deense astronoom Olaf Roemer (1644-1710) een astronomische meting van de lichtsnelheid met behulp van variaties in de verduistering van een maan van Jupiter. Dit was de eerste keer dat er een reële meetwaarde voor de lichtsnelheid werd verkregen. In 1727 werd een andere astronomische snelheidsbepaling verkregen door de Engelse astronoom James Bradley (1692-1762), die een effect gebruikte genaamd: stellaire aberratie (afwijking). Het resultaat van Bradley bevestigde in ieder geval ruwweg de eerdere metingen, gebaseerd op de maansverduistering van Jupiter.
In het geval van “stellaire” of “jaarlijkse” aberratie, varieert de schijnbare positie van een ster voor een waarnemer op aarde periodiek in de loop van een jaar naarmate de snelheid van de aarde ten opzichte van de ster verandert terwijl deze om de zon draait.
Roemer heeft de lichtsnelheid gemeten door verduisteringen van Jupiters maan: Io, te timen. In deze figuur is S de zon, E1 is de positie van de aarde wanneer deze het dichtst bij Jupiter (J1) is en E2 is de aarde ongeveer zes maanden later, aan de andere kant van de zon ten opzichte van Jupiter (J2). Wanneer de aarde zich op E2 bevindt, moet het licht afkomstig van het Jupiter-systeem een extra afstand afleggen die gelijk is aan de diameter van de baan van de aarde om de zon. Dit veroorzaakt een vertraging in het moment van de maansverduistering. Roemer heeft die vertraging gemeten en, aangezien hij ongeveer de baandiameter van de aarde kende, maakte hij een eerste reële schatting van de lichtsnelheid.
De eerste reële metingen van de lichtsnelheid die aan de aardoppervlakte werden gerealiseerd werden pas in de 19de eeuw uitgevoerd en waren behulpzaam bij het bevestigen van de golftheorie. Het was de Franse wetenschapper Armand Fizeau (1819-1896) die in 1849 de lichtsnelheid met een ingenieus apparaat kon meten.
De eerste ondermaanse meting van de lichtsnelheid werd in 1849 geregistreerd door Armand Fizeau.
Een bron, die een lichtstraal produceert, wordt gereflecteerd door een half licht doorlatende glasplaat, langs een tandwiel geleid, ofwel een roterende stroboscoop, naar een spiegel die op 8 km afstand staat. De lichtstraal is zo gericht dat hij door een opening van het tandwiel gaat maar wordt geblokkeerd wanneer een tand voorbij komt. Het licht wordt door de spiegel op 8 km langs exact hetzelfde pad geretourneerd en gaat door de half doorschijnende glasplaat naar het oog van de waarnemer. Wanneer het tandwiel met relatief lage snelheid door een elektromotor wordt rondgedraaid, kan het licht nog steeds worden gezien door de waarnemer omdat het helemaal naar de spiegel en terug naar de roterende schijf kan reizen voordat de volgende tand de straal onderbreekt. Maar als de snelheid van het tandwiel voortdurend wordt verhoogd, wordt een punt bereikt waarop het door de waarnemer waargenomen licht, uit gaat. Op dit punt wordt het licht dat wordt doorgelaten door de voorrand van elke opening net onderschept door de voorrand van de erop volgende tand.
Kennis van de exacte tandwielsnelheid (dit had niet kunnen worden bereikt zonder de hulp van een elektromotor die voor het eerst werd ontwikkeld in 1834) en kennis van het moment dat de verduistering plaatsvindt, stelt iemand in staat om de tijd te berekenen die het licht nodig heeft om 16 km af te leggen en daarmee de snelheid van licht te berekenen. Vergelijkbare experimenten in de 19de eeuw hebben vastgesteld dat de waarde van de lichtsnelheid c = 3 * 108 m/s in vacuüm bijna dezelfde waarde heeft als in lucht.
Dit betekent een snelheid van 300.000.000 meter per seconde, ofwel 300.000 km/s, ofwel 300 miljoen m/s. Gezien de afstand tussen de aarde en de maan 384.401 km is, zou een lichtgolf 1,28 seconden nodig hebben om deze afstand te overbruggen.
Licht kan in ongeveer 3 ns 1 meter overbruggen (ns staat voor nanoseconden, een miljardste van een seconde), dus 3 * 10-9 s.
Laat deze waardes eens rustig op je inwerken. Als vergelijk; geluid heeft in lucht een snelheid van 330 m/s en is daarmee dus grofweg een miljoen keer trager dan licht. Eerst zie je de bliksemflits, later hoor je de donderknal.
Een cruciale meting in relatie tot de golftheorie van licht was die van de lichtsnelheid in een relatief dicht medium, zoals water in een glas. Om het waargenomen fenomeen van breking te verklaren, dat wil zeggen het afbuigen van licht wanneer het van het ene medium naar het andere over gaat, moest de corpusculaire theorie aannemen dat licht versnelde wanneer het vanuit de lucht het water inging, terwijl de golftheorie juist het tegenovergestelde moest aannemen. In 1850 slaagde de Franse wetenschapper Jean Bernard Léon Foucault (1819-1868, de man van de slinger) erin de lichtsnelheid in water te meten en ontdekte dat deze lager was dan de waarde in lucht. Aangenomen wordt dat deze ontdekking de laatste nagel in de kist was van de klassieke corpusculaire lichttheorie van Isaac Newton (1642-1727).
Kennis van zowel de snelheid als de golflengte van licht maakt een berekening van de lichtfrequentie mogelijk.
De frequentie van groen licht:
𝜆 = golflengte in meter (500 nm = 5 * 10-7 m voor groen licht)
c = snelheid in meter / seconde (3 * 108 m / s voor licht)
f = frequentie in Hertz, cycli / seconde. Cycli is het aantal golven dat een vast punt passeert in het voortgaande sinusvormige pad van de golf (meestal het nulpunt).
Hier is c = 𝜆 * f en f = c / 𝜆
f = 3 * 108 / 5 * 10-7 = 6 * 1014 Hz = 600.000 GHz = 600 THz. (1 Tera = 1000 Giga = 1000.000 Mega = 1000.000.000 kilo = 1000.000.000.000).
Dit voorbeeld laat zien welke enorm hoge frequenties typerend zijn voor licht.
Per seconde passeren zeshonderd biljoen golven elk punt in het stralingspad van een groene lichtgolf, elke seconde weer opnieuw.
Kijk eens naar de kleuren om je heen en realiseer je hoeveel verschillende frequenties er met dergelijke snelheden continue aanwezig zijn in een verlichte omgeving. Onze ogen kunnen meer dan 200 verschillende kleuren waarnemen, maken een onderscheid tussen de meest gedetailleerde nuances en herkennen per kleur meer dan 20 verzadigingsniveaus en 500 helderheidsniveaus. Bijna niet te bevatten toch?
De verzadiging is een maat voor de zuiverheid van een kleur. Kleuren met een hoge verzadiging heten levendig, fel, helder of diep; kleuren met een lage verzadiging heten gedekt, flets of grauw. Monochromatisch licht, licht dat uit één enkele frequentie bestaat, heeft een verzadiging van 100%. Zwartwitbeelden (grijstinten) hebben een verzadiging van 0%.
Helderheid is een eigenschap die aan een kleur wordt toegekend, de helderheid wordt groter naarmate het percentage zwart in de kleur afneemt.
In een verlichte omgeving verwerken we op elk moment ontelbare kleurenstimuli, een sprookjesachtige wereld van kleuren die we ons vaak niet realiseren omdat we er geen acht op slaan, omdat we onze hersenen hebben geleerd om rust in deze wanordelijke overvloed van informatie aan te brengen en ons alleen te attenderen op belangrijke informatie.
Elektromagnetische golven
Afgezien van het vaststellen van het golfkarakter van licht, heeft de klassieke fysica met nog een andere grote doorbraak bijgedragen aan het doorgronden van licht. Deze doorbraak was vervat in het werk van de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell (1831-1879). Maxwell was iemand uit een lange reeks Britse wetenschappers die elektrische en magnetische effecten wilden verklaren in termen van de mechanica met betrekking tot die mysterieuze substantie, de zogenaamde: ether. In theoretisch werk over de aard van elektrische en magnetische krachten kwam Maxwell in 1861 tot de conclusie dat een elektrische lading die van snelheid veranderd (lees versnelt) een verstoring in de ether zou moeten veroorzaken die vanuit de bron met een snelheid van 3 * 108 m/s naar buiten komt. Aangezien de snelheid die Maxwell vond uitsluitend werd berekend met behulp van elektrische en magnetische constanten, suggereerde het dat deze gelijk was aan de reeds gemeten lichtsnelheid en dat licht dus een soortgelijke verstoring was. Om een regelmatige, uniforme golf te produceren, zou de elektrische lading heen en weer moeten trillen.
Kennis van de exacte tandwielsnelheid (dit had niet kunnen worden bereikt zonder de hulp van een elektromotor die voor het eerst werd ontwikkeld in 1834) en kennis van het moment dat de verduistering plaatsvindt, stelt iemand in staat om de tijd te berekenen die het licht nodig heeft om 16 km af te leggen en daarmee de snelheid van licht te berekenen. Vergelijkbare experimenten in de 19de eeuw hebben vastgesteld dat de waarde van de lichtsnelheid c = 3 * 108 m/s in vacuüm bijna dezelfde waarde heeft als in lucht.
Dit betekent een snelheid van 300.000.000 meter per seconde, ofwel 300.000 km/s, ofwel 300 miljoen m/s. Gezien de afstand tussen de aarde en de maan 384.401 km is, zou een lichtgolf 1,28 seconden nodig hebben om deze afstand te overbruggen.
Licht kan in ongeveer 3 ns 1 meter overbruggen (ns staat voor nanoseconden, een miljardste van een seconde), dus 3 * 10-9 s.
Laat deze waardes eens rustig op je inwerken. Als vergelijk; geluid heeft in lucht een snelheid van 330 m/s en is daarmee dus grofweg een miljoen keer trager dan licht. Eerst zie je de bliksemflits, later hoor je de donderknal.
Een cruciale meting in relatie tot de golftheorie van licht was die van de lichtsnelheid in een relatief dicht medium, zoals water in een glas. Om het waargenomen fenomeen van breking te verklaren, dat wil zeggen het afbuigen van licht wanneer het van het ene medium naar het andere over gaat, moest de corpusculaire theorie aannemen dat licht versnelde wanneer het vanuit de lucht het water inging, terwijl de golftheorie juist het tegenovergestelde moest aannemen. In 1850 slaagde de Franse wetenschapper Jean Bernard Léon Foucault (1819-1868, de man van de slinger) erin de lichtsnelheid in water te meten en ontdekte dat deze lager was dan de waarde in lucht. Aangenomen wordt dat deze ontdekking de laatste nagel in de kist was van de klassieke corpusculaire lichttheorie van Isaac Newton (1642-1727).
Kennis van zowel de snelheid als de golflengte van licht maakt een berekening van de lichtfrequentie mogelijk.
De frequentie van groen licht:
𝜆 = golflengte in meter (500 nm = 5 * 10-7 m voor groen licht)
c = snelheid in meter / seconde (3 * 108 m / s voor licht)
f = frequentie in Hertz, cycli / seconde. Cycli is het aantal golven dat een vast punt passeert in het voortgaande sinusvormige pad van de golf (meestal het nulpunt).
Hier is c = 𝜆 * f en f = c / 𝜆
f = 3 * 108 / 5 * 10-7 = 6 * 1014 Hz = 600.000 GHz = 600 THz. (1 Tera = 1000 Giga = 1000.000 Mega = 1000.000.000 kilo = 1000.000.000.000).
Dit voorbeeld laat zien welke enorm hoge frequenties typerend zijn voor licht.
Per seconde passeren zeshonderd biljoen golven elk punt in het stralingspad van een groene lichtgolf, elke seconde weer opnieuw.
Kijk eens naar de kleuren om je heen en realiseer je hoeveel verschillende frequenties er met dergelijke snelheden continue aanwezig zijn in een verlichte omgeving. Onze ogen kunnen meer dan 200 verschillende kleuren waarnemen, maken een onderscheid tussen de meest gedetailleerde nuances en herkennen per kleur meer dan 20 verzadigingsniveaus en 500 helderheidsniveaus. Bijna niet te bevatten toch?
De verzadiging is een maat voor de zuiverheid van een kleur. Kleuren met een hoge verzadiging heten levendig, fel, helder of diep; kleuren met een lage verzadiging heten gedekt, flets of grauw. Monochromatisch licht, licht dat uit één enkele frequentie bestaat, heeft een verzadiging van 100%. Zwartwitbeelden (grijstinten) hebben een verzadiging van 0%.
Helderheid is een eigenschap die aan een kleur wordt toegekend, de helderheid wordt groter naarmate het percentage zwart in de kleur afneemt.
In een verlichte omgeving verwerken we op elk moment ontelbare kleurenstimuli, een sprookjesachtige wereld van kleuren die we ons vaak niet realiseren omdat we er geen acht op slaan, omdat we onze hersenen hebben geleerd om rust in deze wanordelijke overvloed van informatie aan te brengen en ons alleen te attenderen op belangrijke informatie.
Elektromagnetische golven
Afgezien van het vaststellen van het golfkarakter van licht, heeft de klassieke fysica met nog een andere grote doorbraak bijgedragen aan het doorgronden van licht. Deze doorbraak was vervat in het werk van de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell (1831-1879). Maxwell was iemand uit een lange reeks Britse wetenschappers die elektrische en magnetische effecten wilden verklaren in termen van de mechanica met betrekking tot die mysterieuze substantie, de zogenaamde: ether. In theoretisch werk over de aard van elektrische en magnetische krachten kwam Maxwell in 1861 tot de conclusie dat een elektrische lading die van snelheid veranderd (lees versnelt) een verstoring in de ether zou moeten veroorzaken die vanuit de bron met een snelheid van 3 * 108 m/s naar buiten komt. Aangezien de snelheid die Maxwell vond uitsluitend werd berekend met behulp van elektrische en magnetische constanten, suggereerde het dat deze gelijk was aan de reeds gemeten lichtsnelheid en dat licht dus een soortgelijke verstoring was. Om een regelmatige, uniforme golf te produceren, zou de elektrische lading heen en weer moeten trillen.
De eerste echte kleurenfoto. Al in zijn studententijd toonde Maxwell aan dat uit de primaire kleuren rood, groen en blauw alle mogelijke kleuren te maken zijn. In 1861 liet Maxwell drie zwart-witfoto's maken van een rozet gemaakt van een stoffen tartanlint. Iedere foto werd hierbij genomen met een ander kleurfilter voor de lens. De afbeeldingen werden vervolgens over elkaar gelegd om een enkele composiet te creëren. Het resultaat was een kleurenreproductie van het lint die alle originele kleuren bevatte van de Schotse ruit.
Tegenwoordig is het duidelijk dat Maxwell gelijk had: licht maakt deel uit van een veel groter bereik van golven die bekend staat als elektromagnetische golven. Er is geen limiet voor hoe kort noch hoe lang de golflengten van elektromagnetische straling kunnen zijn. Licht onderscheidt zich eenvoudigweg door het feit dat het menselijk oog alleen reageert op elektromagnetische golven met golflengten tussen 400 nm en 700 nm. Elektromagnetische straling met golflengten iets groter dan 700 nm wordt infraroodstraling genoemd. Aan het andere uiteinde van het zichtbare spectrum bevindt zich ultraviolette straling, met golflengten net iets onder 400 nm.
Golflengte Spectrum van elektromagnetische straling waar zichtbaar licht een klein deel van uit maakt.
3 Moderne Theorieën
Optioneel te lezen voor diegene die het gehele plaatje willen doorgronden.
In het begin van de vorige eeuw waren de meeste wetenschappers ervan overtuigd dat de fundamentele aard van licht doorgrond was. In feite dachten veel wetenschappers dat de gehele fysieke wereld verklaard kon worden door de theorieën van die tijd. De wetenschappen warmte en thermodynamica waren statistisch gezien gereduceerd tot de mechanica van zeer kleine deeltjes (atomen en moleculen). Elektriciteit, magnetisme en optica waren theoretisch gezien allemaal gecombineerd en de theoretische beperking tot het verklaren van de mechanica van de ether, werd door velen vol vertrouwen tegemoet gezien.
Een van de discrepanties waarmee de natuurkunde rond 1900 werd geconfronteerd, was de emissie van licht en andere elektromagnetische straling afkomstig van hete vaste stoffen.
Denk hierbij aan een ijzeren staaf die oranjerood verkleurd wanneer die tot een hoge temperatuur wordt verhit. En als de staaf nog verder wordt verhit, verandert de kleur naar blauw en wit.
Optioneel te lezen voor diegene die het gehele plaatje willen doorgronden.
In het begin van de vorige eeuw waren de meeste wetenschappers ervan overtuigd dat de fundamentele aard van licht doorgrond was. In feite dachten veel wetenschappers dat de gehele fysieke wereld verklaard kon worden door de theorieën van die tijd. De wetenschappen warmte en thermodynamica waren statistisch gezien gereduceerd tot de mechanica van zeer kleine deeltjes (atomen en moleculen). Elektriciteit, magnetisme en optica waren theoretisch gezien allemaal gecombineerd en de theoretische beperking tot het verklaren van de mechanica van de ether, werd door velen vol vertrouwen tegemoet gezien.
Een van de discrepanties waarmee de natuurkunde rond 1900 werd geconfronteerd, was de emissie van licht en andere elektromagnetische straling afkomstig van hete vaste stoffen.
Denk hierbij aan een ijzeren staaf die oranjerood verkleurd wanneer die tot een hoge temperatuur wordt verhit. En als de staaf nog verder wordt verhit, verandert de kleur naar blauw en wit.
Roodgloeiend tot witheet ijzer.
Men wilde de details van het uitgezonden visuele spectrum kunnen verklaren door de klassieke theorieën over mechanica en elektriciteit toe te passen op het niveau van atomen waaruit de vaste stof bestaat. In feite wilden wetenschappers ook het emissiespectrum van hete gassen verklaren, die heel anders waren dan die van hete vaste stoffen. Zowel vaste stoffen als gassen stralen licht uit bij verhitting tot hoge temperatuur. Wanneer dat licht echter door een spectroscoop wordt bekeken, een instrument dat via een prisma het invallende licht verspreidt over de samenstellende golflengten, is het vaste stoffen spectrum een continue kleurband van rood tot violet, terwijl het gasspectrum alleen uit verschillende gekleurde lijnen bestaat. Daarom spreken we van: continue spectra (vaste stoffen) en lijnenspectra (gassen). Deze resultaten impliceren dat hete vaste stoffen alle golflengten in het visuele spectrum uitzenden, terwijl hete gassen slechts bepaalde discrete golflengten uitzenden. Bovendien zenden verschillende gassen verschillende sets van golflengten uit.
Continue spectrum (vaste stof).
Lijnenspectrum (afhankelijk van het gas dat verhit wordt).
Blackbody Straling
Het continue spectrum dat wordt uitgezonden door een hete vaste stof wordt in het goed Nederlands: blackbody-straling genoemd. Omdat een perfect zwart object (een object dat alle straling uit het visuele spectrum absorbeert die erop valt) theoretisch het gemakkelijkst te analyseren is en de meeste vaste stoffen straling uitzenden op een manier die vergelijkbaar is met de manier waarop zwarte objecten ze absorberen.
Houd hierbij het volgende in gedachte:
Het continue spectrum dat wordt uitgezonden door een hete vaste stof wordt in het goed Nederlands: blackbody-straling genoemd. Omdat een perfect zwart object (een object dat alle straling uit het visuele spectrum absorbeert die erop valt) theoretisch het gemakkelijkst te analyseren is en de meeste vaste stoffen straling uitzenden op een manier die vergelijkbaar is met de manier waarop zwarte objecten ze absorberen.
Houd hierbij het volgende in gedachte:
Iets ziet er rood uit omdat het oppervlak alle kleuren in zich opneemt, behalve rood.
Iets ziet er zwart uit omdat het oppervlak alle kleuren in zich opneemt.
In het uitzendpatroon van zwarte objecten is er bij een bepaalde temperatuur sprake van enig vermogen bij alle golflengten, maar niet hetzelfde vermogen bij alle golflengten. We karakteriseren een soortgelijk spectrum door een grafiek te tekenen van het uitgestraalde vermogen van elke golflengte (intensiteit) bij een bepaalde temperatuur versus de golflengte.
In het uitzendpatroon van zwarte objecten is er bij een bepaalde temperatuur sprake van enig vermogen bij alle golflengten, maar niet hetzelfde vermogen bij alle golflengten. We karakteriseren een soortgelijk spectrum door een grafiek te tekenen van het uitgestraalde vermogen van elke golflengte (intensiteit) bij een bepaalde temperatuur versus de golflengte.
Bij verhitting van een vast lichaam van (4000 – 273,15) °C wordt hoofdzakelijk een rode kleur uitgestraald,
bij (6500 – 273,15) °C hoofdzakelijk blauw. Hierbij is 0 K(elvin) gelijk aan -273,15 °C(elsius), het absolute nulpunt.
Bij elke object temperatuur is de vermogensdichtheid (W/m2), ofwel stralingsintensiteit voor golflengtes in het ultraviolette gebied vrij laag, zoals blijkt uit de hoogte van de curve in de figuur die links bijna nul is. Naarmate men naar steeds hogere temperaturen kijkt, stijgt de curve totdat deze zijn maximum bereikt voor een bepaalde golflengte in het visuele spectrum, die de golflengte van maximale emissie wordt genoemd. Zoals de grafiek aangeeft, wordt er meer vermogen uitgezonden op die bepaalde golflengte dan op welke andere golflengte dan ook bij die temperatuur. Wanneer de temperatuur van een zwart object wordt verhoogd, kunnen er twee veranderingen in het spectrum worden opgemerkt. Ten eerste, aangezien de gehele curve hoger ligt, wordt er meer vermogen uitgezonden bij alle golflengtes. De tweede verandering is te zien in de verschuiving van de piek van de curve naar een kortere golflengte (in principe van rood naar violet naarmate de temperatuur hoger is). Je kunt deze golflengteverschuiving gemakkelijk waarnemen door naar het verwarmingselement van een broodrooster te kijken net nadat het is ingeschakeld. De eerste zichtbare straling is donkerrood en naarmate de temperatuur stijgt, verandert de kleur in oranjerood.
Elk object met een temperatuur boven het absolute nulpunt (0 K, -273,15 °C) vertoont een dergelijke straling. Maar voor temperaturen die gewoonlijk op het aardoppervlak worden aangetroffen, ligt de stralingscurve zo ver in het infrarood (met de piek rechts in de grafiek) dat er geen waarneembare straling in het visuele gebied is.
Bij de lichaamstemperatuur, straalt iedereen een vermogen uit met golflengtes van rond de 9000 nm. Je straalt dus continu elektromagnetische golven uit die in het infrarode gebied liggen en daarom ben je bijvoorbeeld bij duisternis met behulp van een infraroodkijker gewoon zichtbaar.
Eerste Quantum Theorie
In 1900 ging een wetenschapper langs ongebaande wegen om tot resultaten te komen die niet alleen de stralingsenergie van zwarte objecten correct voorspelden, maar ook het begin vertegenwoordigden van een nieuwe, niet-klassieke fysica die bekend staat als de kwantummechanica. De Duitse natuurkundige Max Planck (1858-1947) onderzocht de stralingscurve van zwarte objecten om te onderzoeken welke aannames nodig zouden zijn om deze correct af te kunnen leiden. Hij ontdekte dat als hij enkele klassieke ideeën over de emissie van elektromagnetische energie door de atomen van een vaste stof losliet, maar in plaats daarvan aannam dat ze energie uitstralen in kleine brokjes, kwantums genaamd en die hij met een berekende waarde kon afleiden, dat ze zeer nauwkeurig aansloten bij alle golflengtes van de experimentele kromme. Elk uitgezonden kwantum moest een energie hebben die evenredig was met de frequentie van de elektromagnetische straling.
In die tijd was Planck zelf absoluut niet blij met de consequenties van zijn kwantumhypothese. De klassieke natuurkunde was tot dan toe altijd toereikend geweest en niemand wilde er van afwijken ten faveure van onzekere nieuwe ideeën. Planck en anderen dachten dat er nog steeds een manier zou kunnen worden gevonden om de straling van zwarte objecten op de klassieke wijze uit te leggen en dat de kwantumhypothese vervolgens alleen zou worden gezien als een tijdelijke, ad hoc verklaring die door geluk was verkregen. Maar de kwantumtheorie vervaagde niet op die manier. In plaats daarvan bleek het steeds bruikbaarder te zijn voor het verklaren van verschijnselen die de klassieke fysica op z’n kop hadden gezet. Een van die fenomenen was het foto-elektrische effect.
Foto-elektrisch Effect
Een verklaring voor het foto-elektrische effect was een raadsel voor wetenschappers sinds het voor het eerst werd ontdekt in 1887 door de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz (1857-1894), dezelfde wetenschapper die voor het eerst Maxwell's voorspelling van elektromagnetische golven had bevestigd en naar wie de frequentie-eenheid is genoemd. Het effect is in feite het vrijkomen van negatieve elektrische lading bij sommige metalen wanneer hun oppervlakken worden blootgesteld aan elektromagnetische golven met een hoge frequentie. Sommige metalen vertonen het effect bij blootstelling aan zichtbaar licht, maar over het algemeen zijn ultraviolette golven vereist.
Pas later werd ontdekt dat de lading werd vrijgegeven in de vorm van elementaire negatieve ladingen, elektronen genaamd (elektronen zelf werden pas in 1897 ontdekt). Een aspect van het foto-elektrische effect dat verwarrend was, was het feit dat het verhogen van de energie van de inkomende elektromagnetische straal, door deze intenser te maken, niet de energie van de individuele vrijgekomen elektronen deed toenemen; in plaats daarvan produceerde het meer elektronen. Ook raadselachtig was het feit dat het verhogen van de frequentie van de inkomende straling de energie van de individuele vrijgekomen elektronen deed toenemen. Misschien wel het meest raadselachtige was dat volgens de klassieke berekening het minuten tot dagen zou duren voordat een elektron in het metaal genoeg energie van de inkomende elektromagnetische golven had opgeslagen om überhaupt van het oppervlak vrij te komen, terwijl experimenten aantoonden dat foto-elektrische emissie praktisch onmiddellijk plaatsvond.
Elk object met een temperatuur boven het absolute nulpunt (0 K, -273,15 °C) vertoont een dergelijke straling. Maar voor temperaturen die gewoonlijk op het aardoppervlak worden aangetroffen, ligt de stralingscurve zo ver in het infrarood (met de piek rechts in de grafiek) dat er geen waarneembare straling in het visuele gebied is.
Bij de lichaamstemperatuur, straalt iedereen een vermogen uit met golflengtes van rond de 9000 nm. Je straalt dus continu elektromagnetische golven uit die in het infrarode gebied liggen en daarom ben je bijvoorbeeld bij duisternis met behulp van een infraroodkijker gewoon zichtbaar.
Eerste Quantum Theorie
In 1900 ging een wetenschapper langs ongebaande wegen om tot resultaten te komen die niet alleen de stralingsenergie van zwarte objecten correct voorspelden, maar ook het begin vertegenwoordigden van een nieuwe, niet-klassieke fysica die bekend staat als de kwantummechanica. De Duitse natuurkundige Max Planck (1858-1947) onderzocht de stralingscurve van zwarte objecten om te onderzoeken welke aannames nodig zouden zijn om deze correct af te kunnen leiden. Hij ontdekte dat als hij enkele klassieke ideeën over de emissie van elektromagnetische energie door de atomen van een vaste stof losliet, maar in plaats daarvan aannam dat ze energie uitstralen in kleine brokjes, kwantums genaamd en die hij met een berekende waarde kon afleiden, dat ze zeer nauwkeurig aansloten bij alle golflengtes van de experimentele kromme. Elk uitgezonden kwantum moest een energie hebben die evenredig was met de frequentie van de elektromagnetische straling.
In die tijd was Planck zelf absoluut niet blij met de consequenties van zijn kwantumhypothese. De klassieke natuurkunde was tot dan toe altijd toereikend geweest en niemand wilde er van afwijken ten faveure van onzekere nieuwe ideeën. Planck en anderen dachten dat er nog steeds een manier zou kunnen worden gevonden om de straling van zwarte objecten op de klassieke wijze uit te leggen en dat de kwantumhypothese vervolgens alleen zou worden gezien als een tijdelijke, ad hoc verklaring die door geluk was verkregen. Maar de kwantumtheorie vervaagde niet op die manier. In plaats daarvan bleek het steeds bruikbaarder te zijn voor het verklaren van verschijnselen die de klassieke fysica op z’n kop hadden gezet. Een van die fenomenen was het foto-elektrische effect.
Foto-elektrisch Effect
Een verklaring voor het foto-elektrische effect was een raadsel voor wetenschappers sinds het voor het eerst werd ontdekt in 1887 door de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz (1857-1894), dezelfde wetenschapper die voor het eerst Maxwell's voorspelling van elektromagnetische golven had bevestigd en naar wie de frequentie-eenheid is genoemd. Het effect is in feite het vrijkomen van negatieve elektrische lading bij sommige metalen wanneer hun oppervlakken worden blootgesteld aan elektromagnetische golven met een hoge frequentie. Sommige metalen vertonen het effect bij blootstelling aan zichtbaar licht, maar over het algemeen zijn ultraviolette golven vereist.
Pas later werd ontdekt dat de lading werd vrijgegeven in de vorm van elementaire negatieve ladingen, elektronen genaamd (elektronen zelf werden pas in 1897 ontdekt). Een aspect van het foto-elektrische effect dat verwarrend was, was het feit dat het verhogen van de energie van de inkomende elektromagnetische straal, door deze intenser te maken, niet de energie van de individuele vrijgekomen elektronen deed toenemen; in plaats daarvan produceerde het meer elektronen. Ook raadselachtig was het feit dat het verhogen van de frequentie van de inkomende straling de energie van de individuele vrijgekomen elektronen deed toenemen. Misschien wel het meest raadselachtige was dat volgens de klassieke berekening het minuten tot dagen zou duren voordat een elektron in het metaal genoeg energie van de inkomende elektromagnetische golven had opgeslagen om überhaupt van het oppervlak vrij te komen, terwijl experimenten aantoonden dat foto-elektrische emissie praktisch onmiddellijk plaatsvond.
Elektromagnetische golven vallen op een metalen voorwerp en dragen energie over aan de elektronen in het metaal. De elektronen kunnen daardoor uit het metaal ontsnappen.
In 1905 gaf de Duits-Zwitsers-Amerikaanse theoretisch natuurkundige Albert Einstein (1879-1955) een verklaring voor het foto-elektrische effect, gebaseerd op het idee van de kwanta van elektromagnetische straling die eenvoudig, nauwkeurig en overtuigend was. Zijn uitgangspunt was dat elektronen in het metaal niet continu energie absorberen van de elektromagnetische straling die erop schijnt, maar dat ze brokken of kwanta absorberen van exact dezelfde grootte als Planck voorheen had getheoretiseerd. De energie is bij opname al geconcentreerd in kwanta en de elektronen hoeven dus niet te wachten om energie op te slaan. Elk inkomend kwantum van de elektromagnetische stralingsenergie geeft één elektron vrij. Door de intensiteit van de inkomende straling te verhogen, neemt het aantal kwanta toe, maar niet hun individuele energie en dus neemt het aantal uitgezonden elektronen toe. Door de frequentie van de straling te verhogen, wordt de energie van elk kwantum verhoogd en dus de energie van elk uitgezonden elektron.
Niet E = mc², maar een verklaring voor het foto-elektrisch effect bezorgde Einstein een Nobelprijs.
Na 1905 was het niet langer mogelijk om de kwantumtheorie te negeren of redelijkerwijs te hopen dat deze uiteindelijk achterhaald zou worden. Dit leidde tot een dilemma over de aard van licht. Als licht uitgezonden kwanta van blackbody straling is en wordt geabsorbeerd in kwanta in het foto-elektrisch effect, bestaat het dan echt uit deeltjes in plaats van golven? In moderne theorieën staan dergelijke lichtdeeltjes bekend als fotonen. We zullen zien dat additionele successen van de kwantumtheorie wetenschappers uiteindelijk dwongen deze vraag van de tweevoudige aard van licht (dualiteit tussen golf en deeltje) onder ogen te zien. Maar eerst kijken we naar enkele van de aanvullende successen.
Nucleaire Atoom
Vooruitgang in de kennis over de aard van atomen leverde voor natuurkundigen al snel een ander dilemma op. In 1911 ontwikkelde de Engelse natuurkundige Ernest Rutherford (1871-1937) een nieuw model van het atoom op basis van de resultaten verkregen uit de verstrooiing van 𝛼-deeltjes (subatomaire deeltjes geproduceerd door radioactieve stoffen) veroorzaakt door een dunne folie van (zware) goudatomen. De verstrooiingsexperimenten gaven aan dat de positieve elektrische lading en bijna de gehele massa van een atoom geconcentreerd is in een zeer kleine centrale kern. De elektronen van het atoom draaien in banen om de kern, net zoals de planeten van ons zonnestelsel om de zon draaien.
Nucleaire Atoom
Vooruitgang in de kennis over de aard van atomen leverde voor natuurkundigen al snel een ander dilemma op. In 1911 ontwikkelde de Engelse natuurkundige Ernest Rutherford (1871-1937) een nieuw model van het atoom op basis van de resultaten verkregen uit de verstrooiing van 𝛼-deeltjes (subatomaire deeltjes geproduceerd door radioactieve stoffen) veroorzaakt door een dunne folie van (zware) goudatomen. De verstrooiingsexperimenten gaven aan dat de positieve elektrische lading en bijna de gehele massa van een atoom geconcentreerd is in een zeer kleine centrale kern. De elektronen van het atoom draaien in banen om de kern, net zoals de planeten van ons zonnestelsel om de zon draaien.
De radioactieve 𝛼-straling afkomstig van radium, bestaat uit positief geladen 𝛼-deeltjes die een grote snelheid hebben, botsen tegen een dunne folie van goud. Verreweg de meeste deeltjes gaan er met geringe richtingsverandering doorheen. Echter, een klein aantal van hen ondergaat een grote richtingsverandering. Vergelijk de positief geladen 𝛼-deeltjes en de positief geladen kern met de afstoting van twee gelijk georiënteerde magneetpolen.
Op grond van bovenstaande waarneming werd aangenomen dat de positieve lading en daarmee het grootste deel van de massa van een atoom geconcentreerd is in een kern en dat de elektronen zich in een ijl omhulsel rond die kern bewegen.
Wetenschappers hadden gehoopt dat dit model van het atoom een verklaring zou bieden voor het lijnenspectrum van verhitte gassen, die hiervoor reeds kort werden aangehaald. Omdat de atomen van een gas geen interactie met elkaar hebben, behalve tijdens de zeer korte momenten waarin ze botsen, werd aangenomen dat het lijnenspectrum van een gas werd bepaald door de interne structuur van de individuele atomen in plaats van door collectieve eigenschappen van de atomen als een groep, zoals in het geval bij blackbody straling. Deze overtuiging werd versterkt door het feit dat verschillende elementaire gassen verschillende lijnenspectra vertonen en daarom uit atomen zouden moeten bestaan met een verschillende interne structuur.
Rutherfords model van het atoom hielp echter weinig bij het begrijpen van de lijnenspectra van gassen. Volgens de klassieke theorie over elektromagnetische golven moet elk elektron dat in een cirkelvormige baan beweegt, continu met dezelfde frequentie straling verzenden waarmee het rond de kern draait. Zo'n elektron zou, omdat het energie uitstraalt, energie moeten verliezen en in een spiraal de kern binnen moeten gaan, waarbij het zijn omwentelingsfrequentie verhoogt terwijl het dat doet, met een verhogende stralingsfrequentie tot gevolg. Daarom was het atoommodel van Rutherford niet alleen theoretisch onstabiel, maar het zou ook tijdens zijn bestaan straling met een toenemende frequentie gedurende een zeer kort tijdsinterval moeten uitzenden, wat niet het geval is.
Atoommodel van Bohr
Opnieuw was het de kwantumtheorie die te hulp schoot. In 1913 gaf de jonge Deense natuurkundige Niels Bohr (1885-1962) een verklaring voor het atoommodel van Rutherford dat de spectrumlijnen van waterstof correct voorspelde door de ideeën van de kwantumtheorie in beschouwing te nemen. Waterstof is het lichtste element en heeft een relatief eenvoudig lijnenspectrum, dus werd er altijd gedacht dat het de meest ongecompliceerdste atomen bezat en het is daarom altijd het eerste onderzoeksobject van theoretische analyse geweest. Bohr's theorie was in wezen klassiek, maar op bepaalde belangrijke punten geïntegreerd met kwantumideeën.
De uitgangspunten waren:
Rutherfords model van het atoom hielp echter weinig bij het begrijpen van de lijnenspectra van gassen. Volgens de klassieke theorie over elektromagnetische golven moet elk elektron dat in een cirkelvormige baan beweegt, continu met dezelfde frequentie straling verzenden waarmee het rond de kern draait. Zo'n elektron zou, omdat het energie uitstraalt, energie moeten verliezen en in een spiraal de kern binnen moeten gaan, waarbij het zijn omwentelingsfrequentie verhoogt terwijl het dat doet, met een verhogende stralingsfrequentie tot gevolg. Daarom was het atoommodel van Rutherford niet alleen theoretisch onstabiel, maar het zou ook tijdens zijn bestaan straling met een toenemende frequentie gedurende een zeer kort tijdsinterval moeten uitzenden, wat niet het geval is.
Atoommodel van Bohr
Opnieuw was het de kwantumtheorie die te hulp schoot. In 1913 gaf de jonge Deense natuurkundige Niels Bohr (1885-1962) een verklaring voor het atoommodel van Rutherford dat de spectrumlijnen van waterstof correct voorspelde door de ideeën van de kwantumtheorie in beschouwing te nemen. Waterstof is het lichtste element en heeft een relatief eenvoudig lijnenspectrum, dus werd er altijd gedacht dat het de meest ongecompliceerdste atomen bezat en het is daarom altijd het eerste onderzoeksobject van theoretische analyse geweest. Bohr's theorie was in wezen klassiek, maar op bepaalde belangrijke punten geïntegreerd met kwantumideeën.
De uitgangspunten waren:
1. Een elektron kan alleen in bepaalde discrete schillen rond de kern draaien, niet in een willekeurige baan op willekeurige afstand.
2. Een elektron zendt of absorbeert geen elektromagnetische straling tijdens het ronddraaien in deze bolvormige schillen, maar alleen als het tussen de schillen verspringt.
3. Een elektron zendt of absorbeert een kwantum aan elektromagnetische straling wanneer het van de ene naar de andere schil springt.
2. Een elektron zendt of absorbeert geen elektromagnetische straling tijdens het ronddraaien in deze bolvormige schillen, maar alleen als het tussen de schillen verspringt.
3. Een elektron zendt of absorbeert een kwantum aan elektromagnetische straling wanneer het van de ene naar de andere schil springt.
Dus in het atoommodel van Bohr heeft elke verschillende discrete baan (schil) een andere straal die correspondeert met een andere energie van het elektron. De hogere banen corresponderen met grotere energieën. Omdat de energie die het elektron verliest wanneer het in een baan dichter om de kern springt (of wint wanneer het omhoog springt) precies de energie moet zijn van één uitgezonden (of geabsorbeerd) foton.
Indien een elektron naar een schil dichter bij de atoomkern springt, wordt er energie uitgezonden die even groot is als de energie van een foton.
Hier moet kort worden opgemerkt op welke wijze Bohr de omwentelingsstralen en energieën van zijn discrete schillen heeft vastgesteld. Hij realiseerde zich dat de eenheden van de constante van Planck (komt later ter sprake) dezelfde waren als de eenheden van impulsmoment, een grootheid die in de klassieke fysica vaak wordt gebruikt om de beweging van een object in een baan om de aarde te beschrijven, net zoals de elektronen in het atoommodel van Rutherford. Voor een puntmassa m die met een constante snelheid v in een cirkel met straal r beweegt, is het impulsmoment: m*v*r (hierin wordt m*v, de massa maal de snelheid van een object, het lineaire momentum genoemd). Bohr nam aan dat een elektron binnen een atoom een discrete hoeveelheid straling kan absorberen of uitzenden, wat ervoor zorgt dat het elektron van schil verwisselt (kwantumsprong). Verder kwam hij tot de conclusie dat alleen bepaalde banen toegestaan waren voor de elektronen die om een atoomkern cirkelen, met andere woorden de elektronenbanen zijn gekwantiseerd.
Volgens het atoommodel van Bohr houden de elektronen van een atoom zich op in een aantal schillen rondom de kern, die een verschillend energieniveau hebben. Elke schil kan een beperkt aantal elektronen bevatten. De elektronen van een stabiel atoom bevinden zich in de schillen met de laagst mogelijke energie, het dichts bij de kern.
Bohr's idee over de kwantisering van impulsmoment en zijn aannames over het elektron waren ad hoc aannames die niet stevig gerelateerd waren aan de gangbare natuurkundige theorieën. Zelfs in 1920 was er geen voorspelbaar pad door de kwantumtheorie dat wetenschappers konden volgen om elk probleem op te lossen. De meeste vorderingen, zoals die van Bohr, waren combinaties van klassieke fysica met een kwantumhypothese die als een geïnspireerde gok werd ingebracht. Toch was het bestaan van kwanta en fotonen met zekerheid aangetoond en net zo echt als elektromagnetische golven.
Additioneel bewijs kwam in 1922 van de Amerikaanse natuurkundige Arthur Holly Compton (1892-1962). Hij liet een röntgenstraal op een blok grafiet schijnen. Een deel van de straal ging rechtdoor, een deel boog af, onder verschillende hoeken. Deze verstrooide straling had een frequentie gekregen die lager was naarmate de verstrooiingshoek groter was. Dit verschijnsel is het naar hem genoemde Compton-effect.
Additioneel bewijs kwam in 1922 van de Amerikaanse natuurkundige Arthur Holly Compton (1892-1962). Hij liet een röntgenstraal op een blok grafiet schijnen. Een deel van de straal ging rechtdoor, een deel boog af, onder verschillende hoeken. Deze verstrooide straling had een frequentie gekregen die lager was naarmate de verstrooiingshoek groter was. Dit verschijnsel is het naar hem genoemde Compton-effect.
Een inkomende hoogenergetische foton, opgewekt in een röntgenbuis, botst met een elektron en slaat hem uit de baan om zijn kern. Het inkomend foton moet hiervoor een energie hebben die veel groter is dan de bindingsenergie van het elektron. Het foton met de resterende energie na de botsing wordt in een andere richting afgebogen dan de invalsrichting en kan eventueel een ander elektron uit zijn baan slaan. Omdat de energie van het foton hierbij afneemt, is er een corresponderende toename in de golflengte richting het visuele spectrum. In het algemeen is er een kleine “roodverschuiving”, een soort dopplereffect maar dan van toepassing op lichtgoven en verstrooiing van de fotonen als ze door de atomenconfiguratie van het materiaal heen gaan.
Hiermee liet hij zien dat het probleem kan worden behandeld als een botsing van deeltjes: fotonen en elektronen. De dualiteit van lichtgolf en lichtdeeltje (beide elektromagnetische straling) zou klaarblijkelijk niet verdwijnen. Aan de ene kant waren er de interferentie-experimenten, zoals Thomas Young’s dubbelspleten-experiment, waaruit bleek dat licht golfeigenschappen heeft. Aan de andere kant waren er de foton-experimenten, zoals het foto-elektrisch effect, die aantoonden dat licht deeltjeseigenschappen heeft.
Materiegolven
Het was duidelijk dat er een uniforme theorie nodig was die op elk kwantumprobleem kon worden toegepast en tevens een theorie die het dilemma van de golfdeeltjes kon verklaren. Zo'n uniforme theorie werd ontwikkeld tussen 1925 en 1930 en was gebaseerd op een briljant inzicht van de Franse wetenschapper Louis de Broglie (1892-1987). Hij suggereerde dat sinds licht door de klassieke natuurkunde werd beschouwd als golven dat zich soms gedroeg als deeltjes, het omgekeerde wellicht ook waar kon zijn. Misschien gedroegen fotonen zich soms als golven? Redenerend naar analogie van licht, leidde hij een golflengte af voor de golf die is geassocieerd met een deeltje met massa m dat zich voortbeweegt met snelheid v.
Deze golflengte van De Broglie is:
𝜆 = h / (m * v)
De constante van Planck, aangeduid met h, is ingevoerd voor het verband tussen frequentie ν en energie E van een lichtkwantum (foton) volgens: E = h * ν. In plaats van de frequentie aanduiding f wordt ook wel de letter ν gebruikt, onder meer in de optica en kwantummechanica.
Met andere woorden, de constante van Planck gedeeld door het momentum van een deeltje, geeft de golflengte van de bijbehorende golf. De constante van Planck is een natuurkundige constante die voorkomt in alle vergelijkingen van de kwantummechanica. De constante is overigens in 2019 is aangepast van:
Materiegolven
Het was duidelijk dat er een uniforme theorie nodig was die op elk kwantumprobleem kon worden toegepast en tevens een theorie die het dilemma van de golfdeeltjes kon verklaren. Zo'n uniforme theorie werd ontwikkeld tussen 1925 en 1930 en was gebaseerd op een briljant inzicht van de Franse wetenschapper Louis de Broglie (1892-1987). Hij suggereerde dat sinds licht door de klassieke natuurkunde werd beschouwd als golven dat zich soms gedroeg als deeltjes, het omgekeerde wellicht ook waar kon zijn. Misschien gedroegen fotonen zich soms als golven? Redenerend naar analogie van licht, leidde hij een golflengte af voor de golf die is geassocieerd met een deeltje met massa m dat zich voortbeweegt met snelheid v.
Deze golflengte van De Broglie is:
𝜆 = h / (m * v)
De constante van Planck, aangeduid met h, is ingevoerd voor het verband tussen frequentie ν en energie E van een lichtkwantum (foton) volgens: E = h * ν. In plaats van de frequentie aanduiding f wordt ook wel de letter ν gebruikt, onder meer in de optica en kwantummechanica.
Met andere woorden, de constante van Planck gedeeld door het momentum van een deeltje, geeft de golflengte van de bijbehorende golf. De constante van Planck is een natuurkundige constante die voorkomt in alle vergelijkingen van de kwantummechanica. De constante is overigens in 2019 is aangepast van:
h = (6,626 070 040 ±0,000 000 081) * 10−34 Js naar 6,626 070 150 * 10−34 Js.
Een aanpassing van een constante op deze schaal (kleiner dan 10-40) zegt iets over de nauwkeurigheid waarmee heden ten dage de resultaten van experimenten geanalyseerd kunnen worden.
De joule-seconde (Js) is een eenheid van actie of impulsmoment waarmee de constante van Planck wordt aangeduid.
Omdat de constante van Planck zo klein is, hebben relatief grote objecten met lage snelheid, zoals een steen die weggeworpen wordt, een onmetelijk kleine golflengte die niet gedetecteerd kunnen niet worden. Maar elektronen, die zich met grote snelheden voortbewegen, hebben een voldoende klein momentum om een detecteerbare golflengte te produceren.
De snelheid van een elektron is tweeduizend kilometer per seconde. Dat is minder dan 1% van de lichtsnelheid. En omdat de baan zo klein is, draait het elektron in één seconde maar liefst zeven biljard (7 * 1015 oftewel 7.000.000.000.000.000) keer rond de kern van het atoom.
Tegen 1930 was de uniforme kwantumtheorie voltooid, golfmechanica genaamd en gebaseerd op de “materiegolven” van De Broglie.
De bijdrage van Louis de Broglie maakte niet een einde aan de dualiteit van golf en deeltje, maar breidde deze verder uit met materiële deeltjes. Toch is er in deze uitbreiding een nieuwe overeenkomstigheid te ontdekken. Licht verschilt niet zo heel erg veel van overige materie. In moderne theorieën is het belangrijkste verschil tussen elektronen en fotonen dat de eerste een rustmassa hebben die niet nul is (dat wil zeggen, hun massa wanneer ze niet bewegen). De rustmassa van het elektron bedraagt 9,10938356 * 10-31 kg, terwijl fotonen een rustmassa van nul hebben, wat tegelijkertijd betekent dat fotonen in rust niet bestaan. Want indien aanwezig, bewegen ze zich altijd voort met de snelheid van het licht (300 km/s).
4 Laatste Ontwikkelingen
Dualiteit van Licht Gevisualiseerd
De Italiaanse onderzoeker Fabrizio Carbone ontwikkelde in 2015 een experiment dat laat zien dat zowel de kwantummechanica als zijn paradoxale natuur vastgelegd kan worden, de dualiteit van licht tegelijkertijd waargenomen kan worden. Het kunnen vastleggen en controleren van kwantummechanische fenomenen op de nanometerschaal opent een nieuwe route naar kwantumcomputing en andere fundamentele wetenschappen. Middels kwantumcommunicatie heeft men inmiddels aangetoond dat honderd procent veilige communicatieverbindingen gerealiseerd kunnen worden.
Het experiment: een laserpuls wordt afgevuurd op een stukje nanodraad van metaal die energie toevoegt aan de geladen deeltjes in de nanodraad en waardoor ze gaan trillen. Licht reist langs deze draad in twee richtingen. Als de aan het eind van de draad gereflecteerde, in tegenovergestelde richting reizende golven elkaar tegenkomen, vormen ze een nieuwe golf die eruitziet als een staande golf. Deze staande golf functioneert als uitgangspunt voor het experiment. Tegelijkertijd wordt een stroom elektronen vlak langs de nanodraad afgevuurd. Met die elektronen wordt de staande lichtgolf vastgelegd. Als de elektronen vlak langs het licht komen dat om de nanodraad “gevangen” zit, bewegen ze langzamer of sneller. Door gebruik te maken van een ultrasnelle elektronenmicroscoop, werd zo de positie vastgelegd waar deze snelheidsverandering plaatsvond, een staande golf weergeven. Behalve de weergave van de staande golf kon op deze manier ook het lichtdeeltje aangetoond worden. De elektronen die vlak langs de lichtbundel scheerden, “raakten” de fotonen, ofwel de lichtdeeltjes. Doordat ze elkaar raken, verandert ook de snelheid. Die snelheidsverandering bestaat uit het uitwisselen van “energiepakketjes”, de kwanta, tussen de elektronen en fotonen. Het bestaan van die energiepakketjes laat zien dat het licht op de nanodraad zich gedraagt als deeltjes.
Het resultaat van een experiment dat de dualiteit van licht weergeeft. Energie-ruimte fotografie van licht opgesloten in een nanodraad, toont tegelijkertijd zowel ruimtelijke interferentie als energie kwantisering.
Quantum Computers
Als je het volgende kunt reproduceren, heb je genoeg kennis over dit onderwerp voor de komende jaren:
Quantumcomputers lossen veel problemen exponentieel sneller en met minder energieverbruik op dan klassieke of binaire computers. Stel je een tweedimensionaal doolhof voor, om te begrijpen waarom.
Een klassieke computer moet het ene pad na het andere afleggen totdat hij de weg uit het doolhof vindt. Als het doolhof 256 mogelijke paden omvat, moet de klassieke computer ongeveer 128 opeenvolgende keren door het doolhof lopen (gemiddeld moet de helft van de paden van een doolhof worden geprobeerd om de juiste te vinden).
Een kwantumcomputer kan echter met alle 256 paden tegelijk werken en het antwoord vinden in één rekenrun.
Anders gezegd: een 8-bits klassieke computer kan slechts een enkel getal van 0 tot 255 vertegenwoordigen, maar een 8-qubits kwantumcomputer kan elk getal van 0 tot 255 tegelijkertijd vertegenwoordigen.
Hoe is dat mogelijk? Het antwoord is gebaseerd op fundamentele wetten van de kwantummechanica: terwijl een klassiek-computing binaire eenheid, of bit, een waarde van 0 of 1 kan bevatten, kan een qubit (afkorting van kwantumbit) 0 of 1 / of beide waarden tegelijk vertegenwoordigen.
5 Conclusie
Het schijnbaar onvermijdelijke feit is dat licht zich gedraagt als golven in haar voortplanting door de ruimte en als deeltjes in zijn interactie met materie. Licht heeft zowel golf- als deeltjeseigenschappen en hoe meer een experiment het ene aspect onthult, hoe minder het het andere onthult. Misschien is het tenslotte niet zo verwonderlijk dat we niet ronduit kunnen zeggen dat licht golven, of dat licht deeltjes zijn.
Want als we zeggen dat iets uit golven bestaat, zeggen we eigenlijk dat het zich gedraagt als een bekende beweging die we eerder hebben waargenomen, zoals die van lopende watergolven of staande golven in een gespannen snaar.
Evenzo, als we zeggen dat iets uit deeltjes bestaat, zeggen we eigenlijk dat het zich gedraagt als weggeslingerde stenen, vallende regendruppels of afgevuurde kogels. Golven en deeltjes zijn concepten die zijn afgeleid van de wereld die we kunnen aanraken en waarnemen en er is geen dwingende logische reden waarom licht zich anders zou gedragen zoals alle andere fenomenen uit de macroscopische wereld. Of gedraagt licht zich volgens concepten die we nog moeten ontdekken?
Licht is wat het is, en als we het kunnen modelleren met slechts twee denkbeelden uit de voor ons bekende wereld, moeten we ons misschien gelukkig prijzen. Maar vragen zal het zeker op blijven roepen want voor een gemiddeld intellect zal het moeilijk zijn om te begrijpen.
Eindconclusie
In feite komt het erop neer dat we de verschijningsvormen van het optische fenomeen dat we phō̂s (licht) hebben genoemd, als observeerbare gebeurtenis niet kunnen beschrijven met één enkel concept. Eén specifiek onderdeel uit de verzameling van denkbeelden, verklaringen, of theorieën die gebruikt worden tijdens het analyseren van de wereld die we kunnen aanraken en waarnemen door het te vergelijken met een reeds bekend verschijnsel. In de wetenschap is een theorie meestal een getoetst model ter verklaring van waarnemingen van de werkelijkheid.
Houd hierbij voor ogen dat licht gewoon licht is en zich als zodanig harmonieus gedraagt.
Nogmaals:
Het schijnbaar onvermijdelijke feit is dat licht zich gedraagt als golven in haar voortplanting door de ruimte en als deeltjes in zijn interactie met materie. Licht heeft zowel golf- als deeltjeseigenschappen en hoe meer een experiment het ene aspect onthult, hoe minder het het andere onthult. Misschien is het tenslotte niet zo verwonderlijk dat we niet ronduit kunnen zeggen dat licht golven, of dat licht deeltjes zijn.
Want als we zeggen dat iets uit golven bestaat, zeggen we eigenlijk dat het zich gedraagt als een bekende beweging die we eerder hebben waargenomen, zoals die van lopende watergolven of staande golven in een gespannen snaar.
Evenzo, als we zeggen dat iets uit deeltjes bestaat, zeggen we eigenlijk dat het zich gedraagt als weggeslingerde stenen, vallende regendruppels of afgevuurde kogels. Golven en deeltjes zijn concepten die zijn afgeleid van de wereld die we kunnen aanraken en waarnemen en er is geen dwingende logische reden waarom licht zich anders zou gedragen zoals alle andere fenomenen uit de macroscopische wereld. Of gedraagt licht zich volgens concepten die we nog moeten ontdekken?
Licht is wat het is, en als we het kunnen modelleren met slechts twee denkbeelden uit de voor ons bekende wereld, moeten we ons misschien gelukkig prijzen. Maar vragen zal het zeker op blijven roepen want voor een gemiddeld intellect zal het moeilijk zijn om te begrijpen.
Eindconclusie
In feite komt het erop neer dat we de verschijningsvormen van het optische fenomeen dat we phō̂s (licht) hebben genoemd, als observeerbare gebeurtenis niet kunnen beschrijven met één enkel concept. Eén specifiek onderdeel uit de verzameling van denkbeelden, verklaringen, of theorieën die gebruikt worden tijdens het analyseren van de wereld die we kunnen aanraken en waarnemen door het te vergelijken met een reeds bekend verschijnsel. In de wetenschap is een theorie meestal een getoetst model ter verklaring van waarnemingen van de werkelijkheid.
Houd hierbij voor ogen dat licht gewoon licht is en zich als zodanig harmonieus gedraagt.
Nogmaals:
Theorie 1:
Tijdens de voorplanting in de ruimte zijn de gedragingen van licht te verklaren als golven.
Theorie 2:
Tijdens de interactie met materie zijn de gedragingen van licht te verklaren als deeltjes.
De wijze waarop licht zich manifesteert valt met geen enkel ander voor ons bekend verschijnsel te vergelijken, een eigenschap dat licht uniek in zijn soort maakt. Het gevolg hiervan is dat er één enkele allesomvattende theorie om de gedragingen van licht te verklaren, simpelweg ontbreekt. En zolang die niet gevonden is tasten we na zo veel eeuwen van filosoferen en onderzoek nog steeds een beetje in het duister als het neerkomt op het begrijpen van gedragingen van het oh zo mysterieuze fenomeen: LICHT.
Het is maar goed dat deze tekortkoming ons niet belemmerd om “prachtige” foto’s te kunnen maken van objecten die het licht reflecteren.
Mvrgr,
Michel
Het is maar goed dat deze tekortkoming ons niet belemmerd om “prachtige” foto’s te kunnen maken van objecten die het licht reflecteren.
Mvrgr,
Michel