Arvet från en glasmakare
Joseph von Fraunhofer (1787-1826) var en Bayersk glasmakare som är mest känd för de så kallade Fraunhoferlinjerna, det vill säga ett antal mörka linjer som Fraunhofer noterade i solens spektrum i början av 1800-talet, och som jag har nämnt i en tidigare text om fysikern Henry Rowland. Han var inte den som först upptäckte linjerna, men han studerade dem med yttersta systematik och med instrument som han själv tillverkat och som var de bästa av sina slag vid denna tid. Förklaringen till varför det uppkom svarta linjer i solens spektrum (materia i solens yttre hölje absorberar strålning från solens inre vid ett antal fixa, diskreta våglängder, definierade av de ämnen som omger solen) formulerades inte fullständigt förrän Kirchhoffs och Bunsens spektroskopiska experiment 40 år senare. Så, hur såg Fraunhofer på “sina” linjer och vad motiverade honom i sin dagliga verksamhet?
För att besvara detta behöver vi först diskutera kikare och teleskop. Ända sedan teleskopet uppfanns i början av 1600-talet hade det varit föremål för intensivt förbättringsarbete av optiker och instrumentmakare, allt i syfte att kunna skåda ännu skarpare, ännu längre bort. Astronomer ville såklart kunna få en bättre bild av vad som försiggick i universum, men det fanns också många bra tillämpningar av teleskopet/kikaren för mer jordnära människor - lantmätare, exempelvis.
Ett av de problem som man brottades med i tillverkningen av teleskopens linser under och innan Fraunhofers tid var så kallad kromatisk aberration, det vill säga tendensen hos en enkel lins att fokus varierar med avseende på färgen hos ljuset från det objekt som man vill avbilda. Resultatet blir att det röda i bilden kommer att vara skarpt på ett visst avstånd från linsen, medan exempelvis det violetta kommer att vara suddigt; justerar man teleskopet så att det violetta är i fokus, blir det röda suddigt. Under 1700-talet utvecklade man vissa sätt att komma runt detta, som exempelvis att sätta samman en positiv och en negativ lins med olika brytningsindex. Kvaliteten på teleskopen blev trots detta lidande, mycket på grund av att kvaliteten på själva glaset man tillverkade linserna av inte var så god som man kunde önska; dessutom var det svårt att få tillfredsställande reproducerbarhet i sina tillverkningsmetoder.
Brytningsindexet för ett glas beror på ett antal faktorer, inte minst vilka ämnen glaset består av och dess proportioner till varandra. För att brytningsindexet ska vara homogent i hela glaskroppen krävs dessutom att det ska vara fritt från bubblor och bristningar (som ser ut som mjölkiga stråk i glaset). Bristningar beror på att den heta, flytande glasmassan vid tillverkningen inte är helt homogen, och kan därför motverkas genom att ständigt röra runt i massan och hålla den så blandad som möjligt. Bubblor däremot, beror på gas som frigörs i glasmassan och som stiger uppåt, och rör man runt alltför kraftigt, frigörs mer gas och bubbelmängden ökar. Det krävs därför stort tålamod och mycket, mycket arbete för att hitta en perfekt avvägning mellan alla komponenter i tillverkningsprocessen för att glaset ska få en så god kvalitet som möjligt.
Här har vi första svaret på varför Fraunhofer var så uppskattad under sin tid: Han gjorde helt enkelt kick-ass-glas. Anledningen till detta var dels att han själv lyckades kombinera hantverksskicklighet med en djup förståelse för matematik och mer teoretisk optik, dels att han hade resurserna: Fraunhofer var föreståndare för det nyligen sekulariserade klostret vid Benediktbeuern som hade en 1000 år lång tradition av just glastillverkning, antalet anställda var uppåt 200. Dessutom stöddes glastillverkningen vid klostret rikligt av den bayerska staten. Med hjälp av sin egen skicklighet, och den institutionaliserade kunskap som redan existerade i klostermiljön tillverkade Fraunhofer glas vars kvalitet var oöverträffbar i början av 1800-talet.
För att nå det andra svaret på varför Fraunhofer var så uppskattad måste vi återgå till brytningsindex för glas: För att kunna tillverka akromatiska linser (det vill säga linser utan eller med väldigt liten kromatisk aberration) var det, som vi redan har nämnt, nödvändigt att kombinera material med olika brytningsindex. Brytningsindexet för ett material är typiskt beroende på det infallande ljusets våglängd; det är det som är orsaken till att det överhuvudtaget finns någonting som heter kromatisk aberration. (Exempel på hur brytningsindexet kan variera med våglängd för en handfull material kan ni se i figur 62 på denna sida.) Alltså, för att matcha olika glasmaterial med varandra var det inte bara nödvändigt att mäta upp ett allmänt brytningsindex för vardera material, utan för - i det ideala fallet - varje våglängd.
Det fanns ett antal olika metoder för att mäta upp brytningsindexens våglängdsberoende på Fraunhofers tid. Ett relativt enkelt sätt var att låta solens strålar falla in mot ett prisma tillverkat av det material man var intresserad av, och därefter mäta upp hur mycket varje färg i det resulterande solspektrumet spreds av prismat. För att nå en sådan precision som krävdes för att tillverka rejält akromatiska linser var man dock tvungen att mäta brytningsindexets variation över ett stort antal våglängder, eller färger. Problemet var bara - hur definierade man vad en specifik färg var i solspektrumet? Kolla in bilden nedan - ungefär så såg solens spektrum från ett prisma ut runt 1800. Kan ni tydligt peka ut var spektrumet är blått? Grönt? Orange? Inte så lätt va? Precis det problemet hade optikerna för 200 år sedan, och om man inte kunde peka ut exakt var i spektrumet en specifik färg befann sig, hur kunde man då med precision ange hur brytningsindex varierade med färgen, eller våglängden?
Återigen - enter Fraunhofer. Eftersom hans glas var så rena och fria från defekter lyckades han tillverka prismor med vilka man kunde studera solens spektrum i mycket högre detalj än tidigare. Vad han såg var tydliga, mörka linjer i spektrumet. Han konstaterade efter vissa undersökningar att linjerna kom från solen självt och inte var en artefakt i själva instrumentet; dessutom fanns de alltid på samma ställe i spektrumet, oavsett när och hur man studerade det. Bingo! Helt plötsligt hade han hittat vad optikerna länge varit ute efter - fixa riktmärken i solspektrumet som man kunde använda i sina mätningar av brytningsindex. Med hjälp av dessa kunde nu Fraunhofer, och andra efter honom, mäta upp de våglängdsberoende egenskaperna hos olika optiska material för att använda i exempelvis tillverkningen av akromatiska linser.
Det bör understrykas att Fraunhofer inte var intresserad av varför det fanns svarta linjer i solspektrumet - de var där, och han använde dem. Han var aldrig intresserad av spörsmål som vetenskaper som spektroskopi, atom- och astrofysik nu intresserar sig för och som i mångt och mycket bygger på Fraunhofers undersökningar; han ville göra gediget glas, fritt från defekter. Men, vetenskapen är så lustigt beskaffad att den tenderar att producera resultat och teorier som upphovspersonerna aldrig ens hade drömt om - eller brytt sig om. Där ser man.
(Den intresserade kan ladda ner engelska översättningar av Fraunhofers skrifter. En bra bok som beskriver Fraunhofers experiment och deras sociala sammanhang är Myles W. Jackson: Spectrum of Belief, som jag bara har hittat på Amazon.)
