David Brewster

David Brewster
Født		11. des. 1781 Jedburgh
Død		10. feb. 1868 (86 år) Melrose
Beskjeftigelse		Botaniker, sivilingeniør, fysiker, matematiker, astronom, filosof, oppfinner, skribent, universitetslærer, biograf, farmasøyt, jurist
Utdannet ved		University of Edinburgh
Ektefelle		Jane Kirke Pernell Juliet Macpherson
Far		James Brewster
Mor		Margaret Key
Barn		Constance Marion Brewster David Brewster Macpherson Margaret Maria Gordon
Nasjonalitet		Det forente kongerike Storbritannia og Irland Storbritannia
Gravlagt		Melrose Abbey
Medlem av		15 oppføringer Royal Society Kungliga Vetenskapsakademien Det franske vitenskapsakademiet Vitenskapsakademiet i St. Petersburg American Academy of Arts and Sciences Royal Irish Academy Det russiske vitenskapsakademi Det prøyssiske vitenskapsakademiet Royal Society of Edinburgh American Antiquarian Society Académie nationale de médecine Bayerische Akademie der Wissenschaften National Academy of Sciences (1864–; International Member of the National Academy of Sciences) Accademia delle Scienze di Torino (1860–) Göttingens vitenskapsakademi
Utmerkelser		10 oppføringer Fellow of the Royal Society Copleymedaljen (1815) Pour le Mérite for vitenskap og kunst Royal Medal (1830) Rumfordmedaljen (1818) Grand prix des sciences mathématiques (1816) جائزة مُنحت من قبل الجمعية الملكية في إدنبرة (1829) Medlem av American Academy of Arts and Sciences Fellow Knight Bachelor Fellow of the Society of Antiquaries of Scotland
David Brewster på Commons

David Brewster (1781 - 1868) var en skotsk fysiker som er mest kjent for sine bidrag til optikken og spesielt utforskning av polarisert lys. Hans navn er knyttet til Brewsters lov som beskriver hvordan maksimal polarisasjon vil opptre ved refleksjon av lys. Et nærliggende fenomen er dobbeltbrytning der han påviste at noen krystaller har to optiske akser. Han påviste også at noen materialer kunne bli dobbeltbrytende når de utsettes for mekaniske spenninger og dermed dannet grunnlaget for moderne fotoelastisitet.

Brewster skaffet seg i tillegg berømmelse blandt et større lag av befolkningen ved flere praktiske oppfinnelser. Av disse er kaleidoskopet kanskje mest kjent i dag. Men på hans tid var også et forbedret stereoskop av stor betydning. Hans interesse og utforskning av naturens mysterier var koblet sammen med en sterk, kristen tro. På slutten av sitt liv ble han en tydelig motstander av Charles Darwins evolusjonsteori.

I tillegg til alle sine arbeider innen optikken, la Brewster bak seg en stor innsats som redaktør for forskjellige vitenskapelige tidsskrift og skrev selv flere populærvitenskapelige bøker. Etter å ha styrt en del av University of St Andrews i nesten tyve år, var han administrativ leder for University of Edinburgh frem til sin død. Han ble tidlig valgt inn i Royal Society og mottok etterhvert dets viktigste utmerkelser som Copley-medaljen i 1815, Rumford-medaljen i 1818 og Royal Medal i 1830. Han var i tillegg medlem av flere utenlandske, vitenskapelige akademier selv om han aldri hadde noen fast, akademisk stilling ved et universitet.

Liv og virke

David Brewster var født den 11. desember 1781 i Jedburgh i den sydlige delen av Skottland. Han vokste opp i et religiøst hjem hvor faren var rektor ved en videregående skole. Det så tidlig ut til at han ville gå inn i kristelig arbeid, og han begynte derfor allerede som tolvåring sin utdannelse ved universitetet i Edinburgh for å bli prest i den skotske kirke. Selv om han gjorde seg ferdig med dette studiet i 1800, hadde han allerede tidligere fattet større interesse for optiske fenomen som han var blitt kjent med gjennom bruk og konstruksjon av teleskop og andre instrument.

For å kunne klare seg økonomisk som uavhengig naturviter, arbeidet Brewster delvis som privatlærer. Han ble ansatt i 1802 som redaktør for Edinburgh Magazine og fikk startet opp et større leksikon Edinburgh Encyclopædia i 1807. Det siste volumet ble først ferdig i 1830, og mye av det vitenskapelige innholdet var skrevet av Brewster selv. Samtidig med dette skrev han også mange artikler for det allerede eksisterende Encyclopædia Britannica.

Første side av A Treatise on New Philosophical Instruments.

Sitt første, vitenskapelige verk A Treatise on New Philosophical Instruments publiserte han i 1813. Det var på over fire hundre sider og inneholdt stort sett resultat av egne undersøkelser. En stor del omhandlet måling av brytningsindekser til 137 substanser sammen med deres dispersive egenskaper. Dette var delvis grunnet i hans interesse for kromatisk aberrasjon i teleskop. Andre deler av verket beskrev dobbeltbrytning i krystaller og refleksjon fra forskjellige overflater. Begge disse fenomenene er tett knyttet til lysets polarisasjon som på den tiden ikke var forstått. I forordet beklaget han at han i ettertid var blitt klar over at mange lignende resultat på dette feltet var tidligere funnet av Malus og Biot i Frankrike. Det inkluderte også påvisning av polarisasjon til vanlig dagslys, noe som Arago omtrent samtidig hadde observert.

Av stor betydning for den senere forståelse av lysets natur, var oppdagelsen av en ny type krystaller med to optiske akser istedenfor de kjente med bare én slik akse. Dette hadde han først sett i en krystall av topas og kunne ikke forklares ved Huygens prinsipp som gjaldt for énaksete krystaller. Fenomenet ble først forklart noen få år senere etter at Fresnel hadde lansert sin teori hvor lys beskrives som transverse bølger i en mekanisk eter. Ved tilsvarende undersøkelser av lysets polarisasjon ved gjennomgang i materialer som ble utsatt for oppvarming eller ytre trykk, kunne Brewster i sitt verk også rapportere om lignende fenomen. De omtales i dag som fotoelastisitet og har viktige, praktiske anvendelser.

Brewsters lov

Begrepet «polarisasjon» var blitt innført i 1808 av Étienne-Louis Malus for å karakterisere en spesiell egenskap som lys får ved refleksjon og når det dobbeltbrytes i krystaller. Denne effekten er maksimal ved en bestemt innfallsvinkel θ_B  som varierer fra material til material. Malus kunne ikke gi noen enkel forklaring av dette fenomenet.

Når innfallsvinkelen er lik med Brewsters vinkel, er det reflekterte lyset fullstendig polarisert vinkelrett på innfallsplanet.

Brewster gjorde omtrent på samme tid lignendene observasjoner som han beskrev i sitt verk om Philosophical Instruments. Allerede i 1811 hadde han sett en direkte sammenheng mellom tangens til denne spesielle vinkelen og brytningsindeksen til materialet i den reflekterende flaten. Dessverre syntes ikke denne enkle lovmessigheten å være gyldig for vanlig glass. Men da han noe tid senere begynte å undersøke de optiske egenskapene til topas, oppdaget han at ved refleksjon fra dette materialet, var innfallsvinkelen igjen gitt på samme vis. Det fikk han til å studere glassflater i mer detalj og oppdaget at de vanligvis inneholder et tynt sjikt med oksider som gir opphav til en litt annen brytningsindeks. Når dette slipes bort, er den spesielle innfallsvinkelen igjen gitt ved

$\tan \theta _{B}=n$

hvor nå n  er brytningsindeksen til materialet. Denne sammenhengen publiserte han i 1815 og omtales i dag som Brewsters lov. Samme år mottok han Copley-medaljen fra Royal Society i London.

Kaleidoskopet

Kaleidoskop med kikkhull i øvre ende.

Under arbeidet med refleksjon av lys fra forskjellige flater eller speil hadde Brewster oppdaget at han kunne skape interessante bilder når han betraktet refleksjoner fra flere flater samtidig. Det kan i det enkleste tilfellet oppnås ved to speil som er hengslet sammen. Når vinkelen mellom dem er φ = 180°, danner de til sammen et plan. En gjenstand foran dem kan da sees sammen med et speilbilde av gjenstanden. Hvis nå vinkelen φ  reduseres enda mer, vil speilbildet splittes opp. Når den blir φ = 120°, vil man se N = 3 gjenstander, nemlig gjenstanden selv pluss to speilbilder av den. Ved fortsatt reduksjon av denne vinkelen, vil man for bestemte verdier se et helt antall

$N={360^{\circ } \over \phi }$

gjenstander. Det skyldes at refleksjoner av speilbilder da vil opptre som nye bilder. Når for eksempel φ  = 60°, vil man se seks gjenstander gruppert om ett senter.

Dette optiske fenomenet benyttet Brewster i 1816 da han satte sammen to eller flere speil på denne måten i en langstrakt sylinder med noen små, fargete gjenstander i den ene enden. Når de ble betraktet fra den andre enden, ga de opphav til et fargefullt og symmetrisk bilde som forandret seg med en gang man ristet på sylinderen slik at gjenstandene beveget seg. Han kalte denne innretningen et kaleidoskop, og det ble fort populært som et leketøy både i Europa og snart også i USA.

Selv om han fikk det patentert allerede i 1817, fikk han selv likevel lite økonomisk utbytte av denne oppfinnelsen. Derimot ble hans navn kjent blandt befolkningen generelt. Senere i livet skrev han et større verk om prinsippene bak kaleidoskopet og dets forskjellige utforminger.

Senere bidrag

Etter at Brewster hadde skaffet seg en viss berømmelse som optiker etter oppfinnelsen av kaleidoskopet, engasjerte han seg for innføring av bedre fyrlykter langs den britiske kyst. Det startet han med allerede før Fresnel i Frankrike gjorde det samme. Fra 1820 ble en slik forbedring gradvis gjennomført.

Samtidig med dette mer praktiske arbeidet, fortsatte han å utforske refleksjon av lys under forskjellige forhold og da spesielt fra metalliske flater. I motsetning til gjennomsiktige materialer, oppviser de vanligvis en mye kraftigere refleksjon. Han oppdaget at det reflekterte lyset da generelt har elliptisk polarisasjon og derfor ikke lenger planpolarisert. Men disse vitenskapelige aktivitetene avtok etter hvert som han stadig mer engasjerte seg i populærvitenskapelig formidling. I 1819 var han med å grunnlegge Edinburgh Philosophical Journal som med årene kom ut i flere bind. Likedan startet han opp i 1824 Edinburgh Journal of Science hvor han skrev mange av artiklene selv. Han var en stor beundrer av Isaac Newton og utga i 1831 en mindre bok om hans liv og virke. Senere ble denne utvidet til et større verk etter at han hadde fått tilgang til mange av Newtons opprinnelige notater.

Brewster var en stor beundrer av Newton som hadde forklart lys som en strøm av korpuskler. Det kan være grunnen til at han ikke ville akseptere bølgebeskrivelsen som var blitt lansert av Thomas Young på begynnelsen av 1800-tallet. Den var blitt bekreftet eksperimentelt og gitt et teoretisk grunnlag av Fresnel allerede rundt 1820. Til og med flere av Brewsters egne oppdagelser var i overensstemmelse med denne teorien og i konflikt med Newtons antagelser.

En utgave av Brewsters stereoskop.

Da Charles Babbage I 1830 skrev en omstridt artikkel om vitenskapens dårlige kår i England og Skottland, fikk den umiddelbart støtte fra Brewster. Det kan til en viss grad skyldes hans egen situasjon og da spesielt problemet han hadde opplevd med å få kaleidoskopet patentert. Sammen med Babbage og John Herschel gikk han i gang med å forbedre situasjonen. Resultatet ble etableringen i 1831 av British Science Association som i de følgende årene fikk stor betydning. Samme år ble Brewster adlet av dronning Victoria.

På denne tiden skrev Brewster sammen mye av sin kunnskap i verket A Treatise on Optics. Den var basert på Newtons partikkelteori for lysets egenskaper og inneholdt ikke noe om de store fremskrittene som Fresnels bølgeteori representerte. Det gjaldt også for en mer moderne utgave av verket som han publiserte omtrent tyve år senere. I mellomtiden hadde han utviklet et nytt stereoskop for å se tredimensjonale bilder. Det var oppfunnet allerede i 1832 av Charles Wheatstone, men Brewster lagde en forbedret utgave basert på prismatiske linser istedenfor speil. Det var dermed mye mindre og kunne lettere produseres. På denne måten beholdt Brewster sin berømmelse blant en stor del av befolkningen.

Fra 1837 ledet Brewster i omtrent tyve år to college ved University of St Andrews. Den tiden ble etterfulgt av en tilsvarende, administrativ ledelse frem til sin død i 1868 av hele universitet i Edinburgh. Hans forskningsarbeid opphørte da i stor grad, men han fortsatte å bidra med stadig nye skrifter og bidrag til den offentlige debatt. Det var i denne perioden at han skrev sitt verk om Martyrs of Science som omhandlet livene til Galileo Galilei, Tycho Brahe og Johannes Kepler.

Eksterne lenker

• Encyclopedia.com, David Brewster detaljert biografi
• Pioneers in Optics, Sir David Brewster, konsis biografi fra Florida State University
• Youtube, David Brewster: Illuminating the World, bidrag til optikken