Store opdagelser: Lys er elektromagnetiske bølger
H.C. Ørsteds opdagelse af elektromagnetismen i 1820 åbnede op for et forskningsfelt, der tiltrak sig eksperimentel og teoretisk interesse. I midten af 1800-tallet var der allerede opstået to forskellige opfattelser af de elektriske og magnetiske kræfter og deres udbredelse i rummet.

I slutningen af 1700-tallet kunne fysikere frembringe store gnister med en elektricermaskine og en ”leidenflaske”, en slags primitiv kondensator. I gnistgabet opstår elektromagnetiske bølger, men det varede 100 år, før man blev klar over det. (Gnistskab. Steno Museet, Aarhus Universitet. Foto: Lise Balsby, Anders Trærup og Lars Kruse, AU Kommunikation, Aarhus Universitet)

I slutningen af 1700-tallet kunne fysikere frembringe store gnister med en elektricermaskine og en ”leidenflaske”, en slags primitiv kondensator. I gnistgabet opstår elektromagnetiske bølger, men det varede 100 år, før man blev klar over det. (Gnistskab. Steno Museet, Aarhus Universitet. Foto: Lise Balsby, Anders Trærup og Lars Kruse, AU Kommunikation, Aarhus Universitet)
Bringes i samarbejde med 50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben

I denne bog gives der en fremstilling af 50 markante gennembrud i naturvidenskaberne, der alle har været med til at skabe det moderne ver

 

Wilhelm Weber (1804-1891) og andre tyske fysikere antog, at den elektriske strøm bestod af elektrisk ladede partikler i bevægelse, og at kræfterne mellem dem var momentant virkende såkaldte fjernvirkningskræfter.

Heroverfor stod en teori udviklet af den geniale engelske fysiker og kemiker Michael Faraday (1791-1867), der opfattede kræfterne som givet ved en fysisk tilstand af rummet, hvor ladede partikler ingen rolle spillede.

Det magnetiske 'felt' omkring en magnet eller strømførende ledning udtrykte en tilstand af rummet, der kunne visualiseres gennem de kraftlinjer, der for eksempel viser sig i mønstret af jernfilspåner på et stykke papir nær ved magneten.

Faraday udformede en matematisk feltteori for elektromagnetiske virkninger

Mens Faradays teori var rent kvalitativ og billedlig, udviklede britiske fysikere den i 1850'erne til en matematisk formuleret feltteori for elektromagnetiske virkninger.

Den vigtigste af disse fysikere var skotten James Clerk Maxwell (1831-1879), der allerede som 25-årig blev professor i Aberdeen og fra 1871 til sin tidlige død otte år senere var professor i fysik ved Cambridge University.

Hans elektromagnetiske teori fra 1860'erne udgør en af fysikkens mest fundamentale og vidtrækkende teorier.

En matematisk form kunne redegøre for allerede kendte lovmæssigheder

Maxwells oprindelige teori var baseret på en detaljeret model for den 'æter', man dengang mente måtte findes overalt som det medium, hvori alle kræfter udbredte sig.

Æteren skulle have mekaniske egenskaber, og disse egenskaber 'oversatte' Maxwell til egenskaber for de elektriske og magnetiske feltstørrelser.

På den måde kunne han på en matematisk form redegøre for de allerede kendte lovmæssigheder for elektricitet og magnetisme, som Ørsted, Faraday og andre havde fundet frem til.

Han tildelte desuden æteren en elastisk egenskab, som manifesterede sig i en såkaldt 'forskydningsstrøm'.

Dette bidrag resulterede i reviderede ligninger, der tilfredsstillede loven om energibevarelse, og hvor elektricitet og magnetisme optrådte med en høj grad af symmetri.

Teorien første til en overraskende sammenhæng

I det klassiske værk Treatise on Electricity and Magnetism (Afhandling om Elektricitet og Magnetisme) fra 1873 formulerede Maxwell sin endelige teori på omtrent den kanoniske form, den har endnu i dag.

Men selv om de matematiske ligninger minder meget om vores nutidige, var de i en fysisk og begrebsmæssig forstand væsentligt anderledes.

Ikke blot byggede Maxwell stadig på en 'æter', hans teori var også en ren feltteori uden plads til de ladede partikler, man så hos de tyske fysikere. I dag vil en fysiker utvivlsomt finde Maxwells teori sær og fremmedartet – som også mange af hans samtidige gjorde.

Og dog. Teorien var nok sær, men det kompakte system af ligninger kunne redegøre for et bredt spektrum af fænomener, ligesom det førte til en overraskende sammenhæng mellem optikken og den nye elektrodynamik.

Weber og andre fysikere havde tidligere antydet, at lys og elektromagnetisme måske var forbundet med hinanden, men først med Maxwell blev antydningerne omformet til en virkelig teori for lyset på et elektromagnetisk grundlag.

Lysbølgerne var nu transversale bølger

Ifølge Maxwell var æteren i det tomme rum karakteriseret ved to elektromagnetiske konstante størrelser, der i en bestemt kombination havde dimension af en hastighed.

Hvad mere er, han viste, at talværdien for denne kombination svarede godt til den målte hastighed for lyset, cirka 300.000 km/sek. Det kunne være en tilfældighed, men det troede Maxwell ikke.

Fakta

 

Denne artikel stammer fra bogen '50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her

 

Ud fra overensstemmelsen foreslog han i Treatise, at 'lyset består i transversale bølgebevægelser af det samme medium [æteren] som er årsag til de elektriske og magnetiske fænomener.'

En 'transversal bølge' er karakteriseret ved, at udbredelsesretningen er vinkelret på de svingninger, der forårsager bølgen.

I den eksisterende lysteori var svingningerne mekaniske, mens det hos Maxwell var elektriske og magnetiske felter, der svingede frem og tilbage, vinkelret på hinanden og også på lysbølgens retning.

Maxwell forenede to tilsynladende forskellige fysiske områder

Hovedkonklusionen hos Maxwell var, at lyset er et elektromagnetisk fænomen, og at optikken i denne forstand kan forstås som en del af elektrodynamikken.

Han havde hermed forenet to tilsyneladende helt forskellige fysiske områder, på omtrent samme måde som Newton tidligere havde forenet den jordiske og den himmelske mekanik.

Maxwell overvejede endog, som Faraday tidligere havde gjort, om der skulle være en sammenhæng mellem elektromagnetismen og gravitationskraften, men forlod hurtigt ideen.

Når Maxwell i dag har omtrent samme ophøjede status i fysikhistorien som Newton og Einstein, skyldes det hans teori for elektromagnetisme i almindelighed og hans lysteori i særdeleshed.

Dansk fysiker udviklede også en elektromagnetisk teori om lys

Maxwell var dog ikke den eneste, der i 1860'erne udviklede en elektromagnetisk teori for lyset.

Det samme gjorde den danske fysiker Ludvig Lorenz (1829-1891) i 1867, om end han ikke byggede på ideen om elektriske og magnetiske felter og heller ikke anerkendte æterens eksistens:

»Der er næppe nogen grund til at tilslutte sig hypotesen om æteren«, skrev han.

Lorenz' teori stod også i modsætning til Webers, idet han understregede, at den elektriske kraft krævede tid for at udbrede sig i stedet for at virke momentant.

Den danske fysikers lysteori var innovativ og velkendt, men kom hurtigt til at stå i skyggen af Maxwells lidt tidligere og mere frugtbare teori.

Eksistensen af radiobølger er en konsekvens af Maxwells teori

Maxwell viste altså, at lys og dermed optiske fænomener kan forstås som bølger, der udbreder sig i den elektromagnetiske æter. Talrige eksperimenter bekræftede i de følgende tiår denne teori for lyset, både i den synlige del af spektret og for det ultraviolette og infrarøde lys.

Derimod nævnte Maxwell ikke direkte, at hans teori også gjaldt for elektromagnetiske bølger med en helt anden bølgelængde end lysets, og han søgte på intet tidspunkt at fremkalde eller påvise sådanne bølger.

Man kan ofte læse, at Maxwell forudsagde eksistensen af radiobølger og andre elektromagnetiske bølger uden for det optiske spektrum, men det er at tage munden for fuld.

Men man kan dog med rette sige, at eksistensen af radiobølger er en konsekvens af Maxwells teori.

Det lykkedes at påvise elektromagnetiske bølger, der var forskellig fra lys

Først flere år efter Maxwells død lykkedes det den 31-årige tyske fysiker Heinrich Hertz (1857-1894) at påvise elektromagnetiske bølger, der er forskellige fra det lys, hvis bølgelængde ligger mellem cirka 0,001 centimeter og 0,00001 centimeter.

I eksperimenter fra 1888 med gnister fra en induktionsspole påviste han signaler, der udbredte sig i luften med lysets hastighed, og som havde samme optiske egenskaber som lyset, for eksempel ved at kunne reflekteres fra spejle.

Diffraktionsmønster fra rødt laserlys, der går gennem et lille hul. Mønstret kan forklares ud fra teorien om, at lys er elektromagnetiske bølger.

Han kunne bestemme signalernes bølgelængde til 66 centimeter, mere end en million gange så meget som synligt lys.

 

Hertz' eksperimenter medvirkede til at overbevise de skeptiske fysikere

Hertz' eksperimenter og fortolkning af dem var stærkt medvirkende til at overbevise selv skeptiske fysikere om, at den maxwellske feltteori var rigtig.

Af endnu større konsekvens var det, at mange andre fysikere begyndte at eksperimentere med de hertzske bølger. Omkring 1900 førte det til praktisk radiotelegrafi, senere til telefoni over radiobølger og egentlig radiofoni. 

Til ære for den tyske fysiker er enheden for frekvens blevet benævnt 'hertz' (som er en svingning per sekund, uanset om svingningen er elektromagnetisk eller ej).

Hertz nåede ikke selv at opleve frugterne af sin opdagelse. Han døde af en blodforgiftning, kort før han ville være fyldt 36 år.

 

Den fysiske fortolkning af teorien ændrede sig

Som det ofte er tilfældet med en god fysisk teori, så gemte også Maxwells elektromagnetiske teori på konsekvenser og hemmeligheder, der først senere er blevet afdækket.

Efterhånden som hemmelighederne kom frem, ændrede den fysiske fortolkning af teorien sig. Uden at Maxwell kunne have nogen anelse om det, pegede hans teori frem mod nogle af de vigtigste fremskridt i den moderne fysik.

Som nævnt var lyshastigheden hos Maxwell bestemt af to fysiske konstanter for æteren, hvilket indebærer, at hastigheden selv er konstant og derfor ikke følger den newtonske mekaniks love.

 

Einstein havde ikke nået relativitetsteorien uden Maxwells 'forarbejde'

Selv om Maxwell havde opbygget sin teori på et mekanisk grundlag, så stod den elektromagnetiske feltteori i et spændings- eller modsætningsforhold til mekanikken.

Dette stod ikke klart for Maxwell og samtidens fysikere, men for den unge Albert Einstein (1879-1955) blev det en vigtig motivation for relativitetsteorien.

Faktisk er strukturen af de maxwellske ligninger af en sådan art, at de stemmer med den relativitetsteori, der først så dagens lys omkring 40 år senere.

Det er nærmest utænkeligt, at Einstein ville være nået frem til relativitetsteorien uden Maxwells teori, hvilket Einstein da også vedkendte sig.

 

Ladede partikler af en uspecificeret art blev kaldt 'ioner'

Standardversionen af de maxwellske ligninger, der i dag har været uændret i mere end 100 år, indeholder størrelser, som svarer til elektriske ladninger i form af partikler. Sådanne ladninger optrådte ikke i den oprindelige teori, men blev først indført i 1890'erne.

Den hollandske fysiker Hendrik Lorentz (1853-1928) tilsluttede sig Maxwells beskrivelse af elektromagnetiske felter i æteren, men omformede den til en teori, der også kunne redegøre for transport af elektrisk ladede, stoflige partikler.

Han antog, at stof bestod af molekyler eller atomer, og at disse indeholdt ladede partikler af en uspecificeret art, som han lidt forvirrende benævnte 'ioner' og opfattede som kilder til elektriske felter.

En sådan opdeling af elektromagnetismen i partikler og rene felter var i modstrid med ånden i den oprindelige teori, men Lorentz' idé viste sig alligevel at være særdeles frugtbar.

 

Teorien om ioner, kunne opfattes som en syntese af to modstridende opfattelser

De hypotetiske 'ioner', han antog eksistensen af, kom i løbet af få år til at fremstå som de virkelige elektroner, der findes i alt stof og som først blev påvist af J.J. Thomson (1856-1940) i Cambridge.

Lorentz' teori, eller hvad der ofte blev betegnet Maxwell-Lorentz-teorien, kunne opfattes som en syntese af to modstridende opfattelser: Webers teori, der indeholdt elektriske partikler, men ingen felter; og Maxwells teori, der indeholdt felter, men ingen elektriske partikler.

Den pegede ikke blot frem mod relativitetsteorien, men også mod den moderne teori for atomets struktur.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.