Bugün öğrendim ki: 1800'lerde gökbilimci William Herschel, güneş ışığını bir prizma ile kırdığında yakındaki bir termometrede kaydedilen sıcaklığın arttığını fark ederek kızılötesi radyasyonu keşfetti.
Bu Sayıdaki Bu Makale
Mayıs-Haziran 2012
Cilt 100, Sayı 3
Sayfa 218
DOI: 10.1511/2012.96.218
Sayıyı Görüntüle
Çoğu ansiklopedi ve fizik kitabı, kızılötesi radyasyonun 1800 yılında keşfini büyük İngiliz astronom Sir William Herschel'e mal eder. Bu güzel bir hikayedir ancak kesin olarak doğru değildir; Herschel'in bulduğu şeyin gerçek önemini basitleştirmektedir.
Hepimiz kızılötesini genç yaşta, sıcak bir nesneden uzaktayken sıcaklığı hissettiğimizde keşfederiz ve bu ışınların görünmez olduğunu biliriz; sıcaklık tam karanlıkta hissedilebilir. Herschel'in keşfettiği şey, görünmez radyasyonun varlığından daha incelikliydi. Işık ve kızılötesinin, bugün elektromanyetik radyasyon olarak bildiğimiz aynı nicelik olduğuna dair ilk somut kanıtı buldu. Bir dizi basit deney yoluyla Herschel, çözülmesi bir yüzyıl daha sürecek olan büyük fizik bulmacalarından birinin ilk parçasını buldu.
Herschel'in deneyleri hakkındaki en iyi bilgiler, onun orijinal makalelerinde bulunmaktadır. Kaydedilen verileri ve yorumlarının çoğu doğrudan laboratuvar notlarından alınmış gibi görünmektedir; tazelikleri ve özgünlükleri günümüzde bile hissedilmektedir. Çalışmalarını okurken karşılaşılan en büyük zorluk, birçok konu dışına çıkış ve ham sıcaklık verileriyle dolu sayfalar boyunca onun muhakeme çizgisini takip etmektir.
Herschel, 27 Mart 1800'de Kraliyet Cemiyeti'ne okunan bir makalede, uzaktan hissedilen bu sıcaklığı "radyan ısı" olarak adlandırdı. Bu tanımlama, kızılötesi radyasyon için hala iyi bir çalışma terimidir. "Kızılötesi" (infrared) terimi, 1880'lere kadar bilimsel sözlüğe girmedi. "Infra" Latince'de "altında" anlamına gelir ancak araştırmacılar bu ismi ilk kimin türettiğinin kaynağını tespit edememişlerdir.
Herschel aslında bir bilim insanı değildi. Bir Alman göçmen olarak askeri bando grubunda belirsizlikten yükselerek başarılı bir müzisyen ve besteci oldu. 1773 yılında, 34 yaşındayken, Bath'a müzik öğretmek ve konserlerde çalmak üzere taşındıktan altı yıl sonra, hayatını ve kaderini değiştiren bir şey yaptı. Küçük bir teleskop ve astronomi üzerine bir kitap satın aldı.
Ertesi yıl, kendi aynalarını taşlayarak daha büyük ve daha kaliteli teleskoplar inşa ediyor ve gecelerini gökyüzünü inceleyerek geçiriyordu. Herschel'in ustalığı, hobisini hızla döneminin en önde gelen teleskop üreticisi olarak halk tarafından tanınır hale getirdi. Şöhreti, 1781'de Uranüs gezegenini keşfettikten sonra zirveye ulaştı ve bu durum kralın astronomu olarak atanmasını sağladı.
Yıllık 200 sterlin maaşla gelen bu atamasının ardından Herschel, tüm vaktini astronomiye ayırabildi. Kız kardeşi Caroline ile birlikte, Windsor Şatosu yakınlarındaki Slough kasabasına yerleştiler. Atamasının bir koşulu, Kral III. George ve kraliyet ailesi yıldızları izlemek istedikleri her an onlara müsait olmasıydı.
Herschel'in astronomiden kızılötesine geçişi, Güneş'i güvenli bir şekilde gözlemlemesini sağlayacak bir filtre için en iyi rengi bulma çabasından doğan tesadüfi bir yan adımdı. Spekülasyonları ve sonuçları genellikle çelişkiliydi: Birçoğu yanlıştı ancak bazıları olağanüstü derecede ileri görüşlüydü. Herschel'in deneylerinin hikayesi, bilimsel keşifte insan algısının rolünün ve geleneksel inançlar ile daha önce hiç karşılaşılmamış kavramlar arasındaki çatışmanın hikayesidir.
Isı ve Işığı Birleştirmek
Geniş elektromanyetik spektrum, gama ışınlarından (dalga boyları bir atomun genişliğinden daha küçük olabilir) radyo dalgalarına (dalga boyları binlerce kilometreye ulaşabilir) kadar uzanır. Bu aralıktan insanlar sadece iki küçük banttaki radyasyonu doğrudan algılayabilirler. Gözlerimiz, Güneş'in radyan gücünün yaklaşık olarak maksimum olduğu noktada yoğunlaşan, 0,4 ile 0,7 mikrometre arasındaki dar bir dalga boyu dilimini kaplayan ışığı görür. Cildimiz ise sıcaklığı temel olarak ışık ile mikrodalgalar arasındaki dalga boyu aralığını kapsayan ve yaklaşık 1.000 mikrometreye kadar çıkan kızılötesinden hisseder.
Işık ile kızılötesi arasındaki sınır, insan gözünün tepki verdiği uzun dalga boyu limiti ile belirlenir. Günlük deneyimlerimiz, ışık ve kızılötesinin aynı tür enerji olduğuna inanmamızı sağlamaz. Gerçekten de iki ikna edici kanıt, mantıksal olarak bunların ilişkili olmadığını öne sürer.
Birincisi, ışığı ve kızılötesini farklı duyularla farklı şekilde deneyimleriz. Işığı görürüz, farklı dalga boylarını farklı renkler olarak algılarız ancak kızılötesini sadece sıcaklık olarak hissederiz. İkincisi, ışık ve kızılötesi her zaman bir arada bulunmaz. Çoğu ışık kaynağı kızılötesi de yayar ancak kızılötesi genellikle kendi başına bulunur. Tanıdık bir örnek, parlayacak kadar sıcak olmayan elektrikli bir ızgaradır: Oda tamamen karanlık olsa bile ızgaradan gelen sıcaklığı hissedebiliriz ancak onu göremeyiz.
Bu farklılıklar, pek çok deney yapılmasına rağmen bağlantının yüzyıllar boyunca kurulamamasının nedeni olabilir. Belki de bu sezgiye aykırı ilişki, bağlantının hiçbir resmi bilimsel eğitimi olmayan bir kişi tarafından neredeyse tesadüfen bulunmasının nedenidir.
Herschel, uzun yıllar Güneş'in yüzeyindeki özellikleri gözlemlemiş ve 1794'te Kraliyet Cemiyeti'ne Güneş ve sabit yıldızlar üzerine bir makale sunmuştu. Güneş lekelerini büyük bir teleskopla gözlerini bozmadan gözlemleyebilmek uzun zamandır bir zorluktu. Renkli ve karartılmış camların farklı kombinasyonlarıyla yaptığı deneyler yoluyla Herschel, bu makalesinde belirttiği gibi şunları gözlemledi:
Dikkat çekici olan şuydu ki, bazılarını kullandığımda çok az ışığım olmasına rağmen bir ısı hissi duyuyordum; diğerleri ise neredeyse hiç ısı hissi vermeden bana çok fazla ışık veriyordu.
Bu gözlem, farklı renklerin, Herschel'in ifadesiyle, "ısıtma gücünü kendileri arasında çok eşitsiz bir şekilde dağıtmış olabileceği" düşüncesine yol açtı. Herschel ayrıca, eğer ısıtma gücü eşitsiz dağılmışsa, aydınlatma gücünün de aynı şekilde dağılmış olabileceğini düşündü. Görmek için tek bir en iyi renk olabilir ve bu renk maksimum ısıtma için olandan farklı olabilir. Bu nitelikleri bilmek, Güneş'i gözlemlemek için en iyi filtreyi bulmasına yardımcı olacaktı.
Teleskop yapma deneyiminden yararlanan Herschel, hipotezini test etmek için bir araç geliştirdi. Günümüzde spektrometre veya daha kesin bir ifadeyle spektroradyometre dediğimiz şeyi yaptı: farklı dalga boylarındaki radyan gücün büyüklüğünü ölçmek için bir cihaz.
İlk cihazı üç bileşenden oluşuyordu: güneş ışığını yakalayıp renkleri dağıtarak bir masaya yönlendirmek için güneye bakan bir pencereye yerleştirilmiş bir prizma; ışığın sadece tek bir renginin geçebileceği genişlikte bir yarığa sahip küçük bir karton panel; ve ışığı daha iyi emmesi için ampulleri karartılmış üç adet cam içinde cıvalı termometre (bunlardan ikisini kullandı). Termometreler 1800'de yaygın ev eşyaları değildi ancak Herschel'in kendisinin bir tane termometresi vardı ve bir meslektaşından iki tane daha ödünç almıştı.
Termometrelerden birini ışığa yerleştirdi ve diğer ikisini odanın ortam sıcaklığını ölçmek için karanlıkta tuttu. Herschel, kendi ifadesiyle termometrelerin dengeleme sıcaklığını etkileyen "farklı şekillerde hareket eden nedenler" (başka bir deyişle, iletim ve taşınım) olduğunu anladı ve sadece ışığın neden olduğu ısıtmayı nicelleştirmek istedi.
Bugünkü spektrometreler çok daha yüksek çözünürlüğe, daha fazla hassasiyete ve daha hızlı tepkiye sahiptir ancak temel işlevsel öğeler Herschel'inkilerle aynıdır. Prizmalar hala kullanılmaktadır ancak daha iyi çözünürlük genellikle dalga girişimi ile elde edilir; dalga boyları, dalgaların ya bir araya geldiği ya da birbirini yok ettiği yapıcı ve yıkıcı girişim yoluyla ayrılır. Günümüzdeki dedektör, bir cıvalı termometreden çok daha küçük, hızlı ve hassas olan kriyojenik olarak soğutulmuş bir yarı iletken olacaktır. Ancak Herschel'in cihazı, onun gibi dikkatli bir deneycinin elinde şaşırtıcı derecede doğru ölçümler verdi.
Cihazı güneşli bir günde kuran Herschel, termometrelerin ortam koşullarındaki okumalarını karşılaştırarak temel uyumu sağlamakla işe başladı ve yöntemsel olarak sıcaklık ölçümleri aldı. Odada hava soğuktu. Başlangıç sıcaklıkları ortalama 43,5 derece Fahrenheit idi. Biraz denemeden sonra, yarım inç çapındaki ampulü ışığa maruz kalan kendi termometresini kullanmaya karar verdi ve ödünç alınanlardan daha büyük olanı ortam referansı olarak kullandı.
Herschel, ölçüm yapan termometreyi her okuma için renkli ışık bandına yerleştirdi. Her renk konumunda, okuma yapmadan önce termometrenin 10 dakika stabilize olmasını bekledi. Kırmızıyla başlayarak bir dizi ölçüm yaptı; bu, ortamın 67/8 derece üzerinde ortalama bir okuma verdi. Yeşil 31/4, menekşe rengi ışık ise 2 derecelik ortalama bir artış verdi.
Bu verilerden Herschel, ısıtmanın eşitsiz dağıldığına dair hipotezini kanıtladığını hissetti ve aydınlatma deneyine geçebildi. İlk sonucunda belirttiği gibi:
Bu da sadece prizmatik renklerin ısıtma gücünün eşit dağılımdan çok uzak olduğunu ve kırmızı ışınların bu konuda esasen üstün olduğunu kanıtlamaya yarar.
Maksimum aydınlatmayı bulmak için renkleri, 27 kat büyütmeli bir mikroskopla incelediği çeşitli küçük nesnelerin üzerine yönlendirdi. Gördüklerinin parlaklığından ve netliğinden göreceli aydınlatmayı değerlendirdi.
Aydınlatma deneyi de iyi gitti. Farklı renklerde görüntülenen nesnelerle 10 ayrı deney yaptı. Maksimum aydınlatmaya sahip renk ile en keskin çözünürlüğe veya "belirginliğe" sahip olan renk arasında ayrım yapmaya çalıştı. Çözünürlük hakkında bir sonuca varamadı ancak aydınlatma için şunu belirtebildi:
Aydınlatmanın maksimumu, en parlak sarıda veya en açık yeşildedir. Yeşilin kendisi sarı ile neredeyse aynı parlaklıktadır; ancak, koyu yeşilden itibaren aydınlatma gücü çok hissedilir şekilde azalır.
Bu gözlem dikkat çekicidir: Sarı-yeşil, Güneş'in radyan gücünün maksimum olduğu dalga boyuna yakındır ve tam olarak gözün hassasiyetinin en yüksek olduğu yerdir.
Tesadüfi Bir Yan Adım
Hem radyan ısının hem de ışığın renkler arasında eşit dağılmadığını kanıtladığını hissettiği ve aralarındaki farkları gösteren ölçüm sonuçlarıyla Herschel, bu sonuçları Güneş'i gözlemleme problemine uygulamaya geçmeye hazır olmalıydı. Ancak bunu hemen yapmadı. Bunun yerine sıcaklık verilerine geri döndü.
Sıcaklık okumalarıyla ilgili bir şey onu açıkça rahatsız ediyordu. Beklediği gibi, okumaların çeşitli renkler için farklı olacağını bulmuştu. Ancak ölçümler aynı zamanda beklemediği bir şey daha gösteriyordu: bir tepe noktasından ziyade bir eğilim.
Isınma en çok kırmızıda fazlaydı ancak eğri görünür spektrumda bir maksimuma ulaşmıyor gibiydi. Bunun yerine, okumalar kırmızıdan sonraki karanlık bölgede bir yere işaret ediyor gibiydi. Bu eğilimi takip etmek zorunda hissetti.
Eğer maksimum görünür spektrumun dışındaysa, o zaman ısınma ışıktan değil başka bir şeyden kaynaklanıyordu. Herschel, "görünmez ışık" ifadesini kullandı ve bunu bir oksimoron olduğunu bildiğini belirtecek şekilde ihtiyatlı bir biçimde ifade etti. (Eğer ışınlar görünmezse, o zaman ışık değildirler.) İfade ettiği gibi:
Aynı şekilde, tam kırmızının hala maksimum ısının altında kaldığı sonucuna varıyorum; ki bu belki de görünür kırılmanın biraz ötesinde yer alıyordur. Bu durumda radyan ısı, eğer bu ifadeye izin verilirse, en azından kısmen, eğer esasen değilse, görünmez ışıktan oluşacaktır; yani Güneş'ten gelen, görüş için uygun olmayacak bir momentuma sahip ışınlardan.
Işınları momentum cinsinden tanımlayarak Herschel, bir yüzyıl sonra gerçekleşecek olan kuantum fiziğinin keşiflerini önceden tahmin etmiyordu. Kızılötesi dalga boylarındaki fotonlar, görünür banttakilerden daha az enerjiye sahiptir. Sonuç olarak, "görüş için uygun olmayacak bir momentuma" gerçekten sahiptirler. Bir yüzyıl ileriye değil, bir yüzyıl geriye, yani Isaac Newton'un 1600'lerin sonundaki ışık deneylerine bakıyordu.
Herschel, Newton'un ışığın "tanecikli" (corpuscular) doğasına dair inançlarını sorgusuz sualsiz kabul etti. Işığın bir dalga olduğuna dair güçlü bir argüman, Newton'un çağdaşı Christiaan Huygens tarafından ortaya konmuştu, ancak ışığın küçük parçacık akışları olduğu teorisi, özellikle İngiltere'de o dönemde bilime hakimdi. Bu bakış açısı sonraki 15 yıl içinde değişti ancak o anda Herschel, ışığı madde üzerindeki etkilerinde az ya da çok "etkiye" sahip parçacıklar olarak düşünüyordu.
Herschel'in ilgisini çeken şey görünmez ışınlar kavramı değildi. Onu büyüleyen şey bu ışınların özellikleriydi. Radyan ısının, ışıkla aynı "kırılabilirlik" (modern kullanımda "kırılma") ve dağılma gibi optik özelliklere sahip olduğu onun için açıktı.
Kırılma, bir ışının hava ve cam arasında olduğu gibi hıza neden olan şeffaf bir ortama girerken veya çıkarken yön değiştirmesidir. Dağılma, kırılmanın birden fazla dalga boyu üzerindeki etkisidir ve farklı ışınların farklı açılarda kırılmasına neden olur. Işığın dağılmasının etkilerini en yaygın olarak gökkuşaklarında ve prizmalarda görürüz. Herschel ışığı dalga boyu cinsinden düşünmedi ancak bir mercek yapımcısı olarak dağılma etkilerine ve bugün kromatik sapma olarak bilinen, farklı renklerin mercekten farklı mesafelerde bir odağa yakınsaması durumunu en aza indiren mercekleri üretmek için bunu nasıl düzelteceğine çok aşinaydı. Yazdığı gibi:
Şimdi şunu belirtmeliyim ki, yukarıdaki deneylerim, radyan ısının tıpkı ışık gibi, ister aynı ister farklı ajanlar olsunlar, sadece kırılabilir olmadığını, aynı zamanda farklı kırılabilirliğinden kaynaklanan dağılma yasalarına da tabi olduğunu şüpheye yer bırakmayacak şekilde doğrulamaktadır.
Herschel'deki teleskop tasarımcısı durumu hemen kavradı: Eğer ışık ve radyan ısı aynı optik özelliklere sahipse, maddeyle etkileşimlerinde aynı davranışı sergiliyorlarsa, bu onların aynı nicelik olduğunu gösterebilir mi? Şöyle belirtir:
Bu bizi, radyan ısının belirli bir momentum aralığına sahip ışık parçacıklarından oluştuğunu ve bu momentum aralığının kırılabilirlik açısından ışığınkinden biraz daha uzağa uzanabileceğini düşünmeye sevk etmez mi?
Bu, yılın geri kalanının büyük bir bölümünde Herschel'in düşüncelerine ve çabalarına hakim olan bir soruydu. Hızlı çalışmış olmalıydı, çünkü ilk makalesini yazdıktan sadece 9 gün sonra ve resmi olarak sunmadan 10 gün önce, Kraliyet Cemiyeti'ne "Güneş'in Görünmez Işınlarının Kırılabilirliği Üzerine Deneyler" başlıklı ikinci, daha kısa bir makale yazdı.
Bu makalenin başlığı, Newton'un ilginç bir yankısını taşır. Newton'un Opticks (1730) adlı eserinde, II. Önerme, II. Teorem şöyledir: "Güneş'in Işığı, Farklı Şekilde Kırılabilir Işınlardan Oluşur."
Newton'un Herschel üzerinde açıkça büyük bir etkisi vardı. İkincisinin yaklaşımı, renkleri bir duvara yansıtmak için bir pencereye yerleştirilmiş bir prizma kullanan Newton'un deneyleriyle neredeyse aynıydı. Herschel, Newton'un spektrumu görüntülemeye yönelik temel nitel yöntemini aldı ve onu nicel bir enstrümana dönüştürdü. Haklı olarak, ışığın renkleriyle ilgili "farklı kırılabilirlik" kavramını Güneş'in görünür renklerin ötesinde yatan ışınlarına genişleterek Newton'un başlattığı çalışmayı sürdürdüğünü hissetmiş olabilir.
Herschel ikinci deneyine, spektrometresini sıcaklık okumalarını kırmızı ötesindeki tahtasının karanlık alanına alacak şekilde hafifçe değiştirerek başladı. Tek referansı, renklerin masaya düştüğü yere göreydi. Beyaz bir kağıda, ilki kırmızı ışık bandının kenarında olacak şekilde yarım inç aralıklı beş paralel çizgi işaretledi. Böylece görünür olanın kenarına demir atan Herschel, ötesindeki karanlığa açıldı.
Termometresiyle okumalar yaptı, ısınma başlayana kadar yukarı doğru olan eğilimi bir tepe noktasına ve ötesine kadar takip etti. Herschel'in ikinci makalesinin tonu, bulgularına karşı heyecan ve güven doludur. Deneyleri boyunca, verilerle sıkı bir şekilde desteklenmeyen birkaç görüş ortaya koyar ancak bu makaleyi felsefeye dayalı bir argümanla sonuçlandırır:
Sonuç olarak, nesneleri aydınlatan ışınlara ışık, cisimleri ısıtanlara ise radyan ısı dersek, ışığın radyan ısıdan esasen farklı olup olmadığı sorulabilir. Buna cevaben şunu öne sürerim ki, felsefe yapma kurallarına göre, belirli etkileri açıklamak için eğer tek bir neden yeterliyse, iki farklı neden kabul etmemize izin verilmez.
Muhalifler Ortaya Çıkıyor
Herschel'in bir astronom olarak itibarı, makalelerinin çoğu bilim insanı tarafından olumlu karşılanmasını sağlamış olabilir ancak hepsi tarafından değil. Üçüncü makalesi kesinlikle savunmacı bir notla başlar. "Radyan ısı" ifadesinden rahatsız olan ve kendisini "ünlü bir yazar" olarak adlandırdığı bir kişi tarafından saldırıya uğramış görünmektedir. Bu eleştirmen, ısı konusunda bir otorite olarak kabul edilen ve bir amatörün kendi alanına girmesinden açıkça rahatsız olan John Leslie olabilir. William Nicholson tarafından A Journal of Natural Philosophy, Chemistry, and the Arts'da yayınlanan bir mektupta Leslie şunları yazdı:
Görünen o ki, bu yetenekli astronom, yeni bir sorgulama alanına girerken, konunun inceliğine uygun bir cihaz kullanmamış ve hata yapmaya neden olan çok sayıdaki gizli kaynağa karşı yeterince önlem almamıştır. Aynı alanda araştırmalarımı uzun süre yönlendirdiğim için daha büyük bir güvenle konuşma hakkına sahip olduğumu düşünüyorum... Bu nedenle, Dr. Herschel'in temel önermesinin hatalı gözlemlerden kaynaklandığını iddia etmekten çekinmiyorum... Ve sonuçların geçerliliği konusundaki düşüncelerim ne olursa olsun, sözde gerçekleri sakin ve tarafsız bir şekilde deney testine tabi tutmaya karar verdim. Spektrumun ötesine bir fotometre yerleştirildiğinde... hiçbir etki algılanmadı.
Eğer Leslie'nin diferansiyel termometresi (ona "fotometre" diyordu) iddia ettiği gibi görünürün ötesinde bir ısınma bulamadıysa, o zaman büyük ölçüde hatalıydı. Bu nokta daha sonra Kraliyet Cemiyeti tarafından yürütülen bağımsız deneylerle çarpıcı bir şekilde kanıtlandı. Eleştirileri savuşturmak için Herschel, "radyan ısı" teriminden "ısıya neden olan ışınlar" terimine geçti.
Işık da tartışmalı bir konuydu. Herschel'in radyan ısı ve ışık hakkındaki pervasız iddiaları geleneksel inançları zedelemişti. Işıkla ilgili olarak yine temkinli bir duruş sergiledi ancak bu kez eleştirmenlerini susturmak için hesaplanmış bir meydan okumayla karşı koydu:
Ayrıca şunu belirtmeliyim ki, ışınlar kelimesini kullanırken, hala ışığın kendisinin bize Güneş'ten ışınlarla değil, uzayın her yerine yayılmış esnek bir eterin varsayılan titreşimleriyle geldiğine inanan filozofların görüşüne karşı çıkmak, hele hele onları desteklemek istemiyorum; sadece ısıya neden olan ışınlar için, onların nesneleri aydınlatanlara tanımaya istekli oldukları aynı ayrıcalığı talep ediyorum.
Aldığı eleştiriler deneylerini yavaşlatmadı ancak bu saldırıların bir etkisi olmuş olabilir. Son makalesinin ikinci bölümünde, ağırlık merkezi ışık ve radyan ısı arasındaki benzerliği destekleyen kanıtlar bulmaktan, aralarındaki farkı destekleyenlere kaydı.
Herschel'in üçüncü makalesi, ışık ve radyan ısı arasında yedi karşılaştırma önerdi. Birincisi iki insan duyusuyla ilgilidir. Sonraki beş tanesi 1800 yılında bilinen madde etkileşimleridir: yansıma, kırılma, "farklı kırılabilirlik" (dağılma), "diyafanoz cisimlerden" (şeffaf ortamlar) geçiş ve pürüzlü yüzeylerden saçılma.
Makalenin son önermesi, radyan ısının, yeterince güçlü olması durumunda görme duyusunu uyarıp uyaramayacağını sorar. Bu soru kritiktir çünkü tam cevabı, ışık ve kızılötesinin neden genellikle bir arada olduğunu ancak kızılötesinin ışık olmadan da var olabileceğini açıklar. 18. deneyiyle Herschel, gücünü artırmanın kızılötesini görünür kılamayacağını şüpheye yer bırakmayacak şekilde belirledi.
Herschel, her özelliği incelemek ve ölçmek için kapsamlı bir cihaz yapım programına başladı. Orijinal prizma ve cıvalı termometrelere, bir düzine farklı konfigürasyonda çeşitli mercekler ve aynalar ile iletimi karşılaştırmak için geniş bir şeffaf malzeme dizisi ekledi.
200'den fazla deneyde, farklı aynalar, prizmalar ve mercek kombinasyonlarıyla görüntülenen mevcut tüm aydınlatıcı kaynakları kullanarak sayfa sayfa okumalar kaydetti. Işığın ve radyan ısının aynı optik özelliklere sahip olduğunu, test edebildiği her şekilde tekrar tekrar doğruladı.
Sonraki deneylerinin çılgın hızı, özellikle benzerlikler yerine farklılıklar aramaya başladıktan sonra bağlantıları kaçırmasına veya yanlış yorumlamasına neden olmuş olabilir. Bir kırılmalı yakınsak merceğin odak uzaklığının ısı için ışıktan daha uzun olduğunu gösteren ayrıntılı bir deney yaptı, ancak odak uzaklığındaki farkın prizmayla aynı dağılmadan kaynaklandığını fark etmedi.
Saçılmanın etkilerini ölçtü ve ışığın kızılötesinden daha fazla saçıldığını doğru bir şekilde buldu. Herschel, farkı ışık ve ısının farklı doğalara sahip olmasına bağladı, yoksa (saçılma dalga boyuna bağlı olduğu için) madde ile farklı bir etkileşimdeki benzer davranışın kanıtı olarak görmedi.
Herschel, bu fenomenlerin nedenlerine dair bilimsel bir içgörüye sahip değildi ve bulgularının matematiksel tanımlarını formüle etme yeteneği sınırlıydı. Güçlü yönleri, cihazların imalatındaki ustalığı ile birleşen pratik optik bilgisi ve gözlem yeteneğiydi.
6 Kasım 1800'de sunulan son makalesi, görünür ışığın ve kızılötesi radyasyonun spektral dağılımlarını gösteren ilk grafiği içeriyordu. Bu eğrileri "aydınlanma spektrumu" ve "ısı spektrumu" olarak adlandırdı. Herschel dikey eksende ölçülen sıcaklığı ve algılanan parlaklığı grafiğe döktü. Dağılımların göreceli kapsamını ve şeklini ile maksimumlarının konumunu karşılaştırmak için maksimumlarını eşitledi (tepe noktası normalizasyonu adı verilen bir biçim). Yatay eksen için, dalga boyu kavramına sahip olmadığından, görünür renklerin düştüğü yere göre mesafeyi kullandı. Yatay eksen, bugünkü soldan sağa artan dalga boyu kuralının tersidir.
Herschel'in grafiği hayal gücünün, içgörünün ve aylarca süren titiz çalışmanın ürünüydü ancak ölümcül derecede yanıltıcıydı. Görünüşü, muhtemelen ışık ve radyan ısının aslında temelden farklı olduğu sonucuna varmasında belirleyici faktördü. Yazdığı gibi (ısı spektrumunu kapsayan "ASQA" alanı ve aydınlanma spektrumunu kapsayan "GRQG" ile):
İki şeklin sadece incelenmesi... prizmanın ısı yapan ışınları ve aydınlanmaya neden olanları, iki spektrumumuzun ASQA ve GRQG alanlarına ne kadar farklı dağıttığını görmemizi sağlayacaktır! Bu ışınlar ne ortalama kırılabilirlikleri açısından ne de maksimumlarının durumu açısından uyuşurlar! En çok ışığın olduğu R'de çok az ısı vardır; ve en çok ısının olduğu S'de hiç ışık bulamayız!
Verileri Yeniden Değerlendirmek
Verilerin sunumu, yorumlanmalarını güçlü bir şekilde etkileyebilir. Günümüzde bile, ışık ve radyan ısının iki farklı ışın türü olduğu izlenimi olmadan Herschel'in grafiğine bakmak zordur. Herschel'in eğrilerinin her ikisi de doğrudur ancak bunlar farklı, neredeyse ilişkisiz niceliklere aittir ve birlikte grafiğe dökülmemelidir. Hatası temel verilerinde değil, eğrilerin karşılaştırılabilir olduğu varsayımındaydı.
Herschel'in spektrumlarını değerlendirmek için, Güneş'in ölçümleri sırasında Slough köyünden nasıl göründüğünü görmemiz gerekiyor. Herschel tarih ve saati kaydetmedi ancak eğri şeklinin analizi, verilerin muhtemelen ilk deneylerinden geldiğini ve dolayısıyla muhtemelen şubat sonu veya mart başlarında alındığını göstermektedir. Slough, kuzey enlemi 51,5 derecededir, bu da yerel öğle vaktinde güneş zenitini yaklaşık 61 derece (ufkun 29 derece üzerinde) yapacaktır.
Herschel'in ölçümleri Güneş'in gökyüzünde daha yüksek olduğu yaz aylarında yapılmış olsaydı, bulduğu maksimum görünür spektrumun merkezine daha yakın olurdu. Ancak kışın, daha uzun bir atmosferik yolla, spektral ışınımın (dalga boyunun bir fonksiyonu olarak olay güç yoğunluğu) maksimumu, daha kısa dalga boylarının atmosferik saçılması nedeniyle kırmızıya doğru itilir.
Herschel'in prizmasını aydınlatan güneş ışınımının dağılımını hesaplamak için bilgisayarlı bir atmosferik model kullanıldı ve eğri karşılaştırma için normalize edildi. Herschel sıcaklıklarını kaydetmede titizdi, ancak hem taç hem de çakmaktaşı camdan çeşitli açılarda bir dizi prizmaya sahip olmasına rağmen, ilk deneylerinde hangisinin kullanıldığını kaydetmedi. Gösterilen eğri, prizmasının 1800'lerde yaygın olan taç camdan olduğunu ve 60 derecelik bir açıya sahip olduğunu varsayar.
Isı spektrumunu güneş spektrumuyla karşılaştırmak, Herschel'in cihazının sınırlamalarını ve güneş spektrumunun nasıl görünmesi gerektiği hakkında hiçbir fikri olmadığını göz önünde bulundurursak, şaşırtıcı derecede iyi ölçümler yaptığını göstermektedir. Eğrisi, camın dağılma eğrisi nedeniyle daha uzun dalga boylarına doğru yer değiştirmiştir.
Kırılma indisini dalga boyuyla ilişkilendiren dağılma eğrisi, kırılmanın dalga boylarını hedef tahtası üzerinde düzensiz bir şekilde yayılmasına neden olur. Her konumda, daha uzun dalga boylarına doğru ilerledikçe, termometrenin aldığı dalga boylarının spektral genişliği veya bandı giderek daha geniş hale gelir. Daha geniş bir spektral genişlik daha fazla güç içerir, bu da okumayı artırır. Sonuç, daha uzun dalga boylarında, daha kısa dalga boylarına göre daha ağır ağırlıklı okumalar verir.
Günümüzde bir spektrometrenin düzensiz tepkisi düzeltilebilir. Ancak böyle bir kalibrasyon, dalga boyu bilgisini ve bilinen radyan güce sahip bir kaynağı gerektirir; bunların hiçbiri Herschel'in zamanında kavram değildi. Isı eğrisinin yer değiştirmesi kendi başına hatalı değildir; aslında tesadüfidir çünkü onu kızılötesine götüren sıcaklık eğilimini yaratmıştır.
Yer değiştirmesine rağmen, Herschel'in eğrisinin şekli, güneş ışığının ısıtma gücünün spektrum boyunca eşit dağılmadığı yönündeki ilk hipotezini doğrular. Eğrisinin kızılötesine geçişinde sürekli olması, ışık ve radyan ısının aynı nicelik olduğu yönündeki ikinci hipotezini destekler.
Aydınlanma spektrumu için, orijinal amacı ısıyı en aza indirirken ışığı en üst düzeye çıkaracak bir filtre bulmak olduğundan, bunu aynı grafikte çizmenin mantıklı gelmiş olması gerekir. Eğrisi doğruydu ancak düşündüğü şeyi göstermiyordu.
Herschel, 1800 yılında bilinmeyen ancak günümüzde radyometride temel olan bir kavramı kaçırıyordu: sensör tepkisinin etkisi. İnsan gözü de dahil olmak üzere herhangi bir cihaz veya sensörle elde edilen okuma, iki eğrinin ürününden kaynaklanır: alınan gücün dağılımı ve tüm optik öğelerin spektral iletimini içeren cihaz tepkisi eğrisi.
Bir cihaz düzensiz tepki verirse, çoğu cihazın verdiği gibi, o zaman tepki şekli alınan radyasyona, radyasyonun nasıl dağıldığı ve cihazın nasıl tepki verdiği konusunda bağımsız bir bilgi olmadan ayıklanamayacak şekilde işlenir. Bu kavramdan yoksun olan Herschel, ölçtüğü spektrumların radyasyonun nasıl dağıldığını doğru bir şekilde temsil ettiğini varsaydı.
Gözün gördüğü şeyden oluşturulan herhangi bir spektrum, gözün sınırlarının dışında sıfır olacaktır. Sınırları içinde, herhangi bir dalga boyunda alınan güç, gözün o renge olan hassasiyeti ile ağırlıklandırılacaktır. En büyük hassasiyet, Herschel'in doğru bir şekilde belirlediği gibi, 0,555 mikrometre dalga boyundaki sarı-yeşildir.
İnsan renk görme duyusu gösterilenden daha karmaşıktır ancak Uluslararası Aydınlatma Komisyonu'nun ışığa uyumlu (veya fotopik) göz eğrisi bu kavramı açıklar. Görme duyusu bilgi açısından o kadar zengindir ki, elektromanyetik spektrumun ne kadar dar bir dilimini gördüğümüzü genellikle düşünmeyiz. Darlığı nedeniyle, tepki eğrisinin şekli ve güneş spektrumu ile olan ürününün şekli neredeyse aynıdır.
Sonuç olarak, Herschel'in aydınlanma spektrumu, ışığın aslında nasıl dağıldığından ziyade insan gözünün renklere nasıl tepki verdiğinin bir haritasıdır. Eğrisinin şeklini, ışığın spektrum boyunca eşit dağılmadığının bir kanıtı olarak gördü. Hipotezi doğruydu ancak verileri bunu göstermiyordu. Dağılım tekdüze olsaydı bile neredeyse aynı eğriyi elde ederdi.
İkinci Tahminler
1800 Kasım'ına gelindiğinde, Herschel zamanının bilgi ve teknolojisiyle ulaşılabilecek olanın sonuna yaklaşıyordu. Ayrıca astronomiye dönmesi için üzerinde baskı hissediyordu.
Sonuçta, grafiğinin yanıltıcı görünümü ve ışığı görme ile ısıyı hissetme arasındaki farklı duyular, dikkatlice toplanmış tüm kanıtlarına galip geldi ve iki enerjinin sonuçta aynı olmadığı sonucuna varmasına yol açtı. Aslında hiçbir zaman kesin bir sonuca varmadı. Herschel'in en yaklaştığı nokta, bu kez orijinal düşüncesine karşı çıkmak için felsefeyi tekrar kullanmaktı:
Doğanın iki duyumuzdan herhangi biriyle aynı mekanizmayı kullanma alışkanlığında olduğu görülmüyor... O halde burada, görme duyusunun hassas algıları ve ısıya maruz kaldıklarında vücudumuzun en kaba kısımları için ortak olan en kaba duygular gibi farklı duyumların nedeninin aynı mekanizma olması gerektiğini mi düşünmeliyiz?
Bu argüman günümüzde inandırıcı olmayacaktır ve muhtemelen 1800'de bile zayıf duyuluyordu ancak bu, arayışını sona erdirmenin bir yoluydu. Herschel kesinlikle hayal kırıklığına uğramıştı ancak kendisinin veya çağdaşlarının fark ettiğinden daha fazlasını başarmıştı.
Radyan ısının ışıkla aynı optik özelliklere sahip olduğunu keşfetti. Isıtma gücünün spektrum boyunca eşit dağılmadığı hipotezini doğruladı. Görünür ışıktan kızılötesine doğru spektral radyan gücün ilk radyometrik ölçümünü yaptı ve bunun pürüzsüz, sürekli bir eğri olduğunu buldu.
Mevcut elektromanyetik radyasyon anlayışımız, Herschel'in güneş ışığındaki basit sıcaklık ölçümlerinden James Clerk Maxwell'in 1861'de spektrumu matematiksel olarak birleştirmesine ve nihayetinde Max Planck'ın 1900'de kuantum teorisini formüle etmesine kadar gelişti. Herschel, ışık ve radyan ısının aynı nicelik olduğunu kesin olarak kanıtlayamadı ancak deneyleri çok güçlü kanıtlar sağladı ve başkalarının daha sonra üzerine inşa ettiği bulmacanın ilk parçasıydı.