světlo: částice nebo vlna?

přesná povaha viditelného světla je tajemstvím, které člověka po staletí zmátlo. Řecké vědci od starověké Pythagorejské disciplína postuloval, že každý viditelný předmět, vyzařuje stálý proud částic, zatímco Aristoteles k závěru, že světlo se šíří podobným způsobem, jako vlny v oceánu. I když tyto myšlenky prošly v posledních 20 stoletích četnými úpravami a významným stupněm vývoje, podstata sporu založeného řeckými filozofy zůstává dodnes.

Jeden úhel pohledu představuje světlo jako vlny-jako v přírodě, výrobu energie, která prochází přes prostor podobným způsobem jako na vlnění se šíří po povrchu stále rybníka poté, co byl narušen klesl rock. Opačný pohled zastává názor, že světlo se skládá ze stálého proudu částic, podobně jako malé kapičky vody stříkané z trysky zahradní hadice. Během posledních několika století, konsenzus názorů kolísal s jedním názorem převládajícím po určitou dobu, jen aby byl převrácen důkazy pro druhého. Jen během prvního desetiletí 20. Století bylo dostatečně přesvědčivé důkazy shromážděné poskytnout vyčerpávající odpověď, a k všeobecnému překvapení, obě teorie se ukázalo být správné, alespoň částečně.

na počátku osmnáctého století se argument o povaze světla obrátil vědeckou komunitu na rozdělené tábory, které intenzivně bojovaly o platnost svých oblíbených teorií. Jedna skupina vědců, kteří se přihlásili k teorii vln, soustředila své argumenty na objevy Holanďana Christiaana Huygense. Nepřátelský tábor citované Sir Isaac Newton je prism experimenty jako důkaz, že světlo cestoval jako sprcha částic, každé řízení v přímém směru, až to láme, absorbuje, odráží, difraktovaného nebo narušen jiným způsobem. Ačkoli se zdálo, že sám Newton má pochybnosti o své korpuskulární teorii o povaze světla, jeho prestiž ve vědecké komunitě měla takovou váhu, že jeho obhájci ignorovali všechny ostatní důkazy během jejich divokých bitev.

Huygens‘ teorie lomu světla, založené na konceptu vlna-jako charakter světla, které se konalo, že rychlost světla v každém látka byla nepřímo úměrná jeho index lomu. Jinými slovy, Huygens postuloval, že více světla byl „ohnutý“ nebo lámány látka, tím pomaleji se bude pohybovat při křížení přes látku. Jeho následovníci k závěru, že pokud by světlo bylo složeno z proudu částic, pak opačný efekt by nastat, protože světlo vstupující hustší médium by být přitahovány tím, že molekuly ve střednědobém a zkušenosti ke zvýšení, spíše než pokles, v rychlosti. Ačkoli dokonalým řešením tohoto argumentu by bylo měřit rychlost světla v různých látkách, například ve vzduchu a skle,zařízení tohoto období nebyla na tento úkol. Zdálo se, že světlo se pohybuje stejnou rychlostí bez ohledu na materiál, kterým prošlo. Uplynulo více než 150 let, než bylo možné měřit rychlost světla s dostatečně vysokou přesností, aby se prokázalo, že Huygensova teorie byla správná.

navzdory vysoce uznávané pověsti sira Isaaca Newtona řada významných vědců na počátku roku 1700 nesouhlasila s jeho korpuskulární teorií. Někteří tvrdili, že pokud světlo se skládala z částic, pak, když se dva paprsky jsou zkřížené, některé částice se srazí s navzájem produkovat odchylka světelných paprsků. Je zřejmé, že tomu tak není, a tak dospěli k závěru, že světlo nesmí být složeno z jednotlivých částic.

Huygens, pro všechny jeho intuice, navrhl v jeho 1690 pojednání Traité de la Lumière, že světelné vlny cestoval vesmírem zprostředkované éteru, mystické beztíže látka, která existuje jako neviditelná bytost v celém vzduchu a prostoru. Hledání éteru spotřebovalo během devatenáctého století značné množství zdrojů, než bylo konečně položeno k odpočinku. Éter teorie trvala přinejmenším do pozdních 1800s, o čemž svědčí Charles Wheatstone je navrhovaný model prokazuje, že éter provádí světelné vlny tím, že vibruje v úhlu kolmo na směr šíření světla, a James Clerk Maxwell je detailní modely popisující stavbu z neviditelné látky. Huygens věřil, že éter vibroval ve stejném směru jako světlo, a vytvořil vlnu samotnou, když nesla světelné vlny. V pozdější objem, Huygens‘ Princip, že geniálně popsal, jak každý bod na vlně mohl vyrábět vlastní vlnky, které pak dohromady tvoří vlnoplochy. Huygens zaměstnaných tato myšlenka produkovat detailní teorie pro refrakce jev, a také vysvětlit, proč se světelné paprsky, ne narazit do sebe, když jim zkříží cestu.

Když paprsek světla cestuje mezi dvěma médii, které mají různé indexy lomu, paprsek prochází lom, a změní směr, když to projde z prvního prostředí do druhého. K určení, zda je světelný paprsek složen z vln nebo částic, lze pro každý z nich vytvořit model, který tento jev vysvětlí (obrázek 3). Podle Huygensova vlnová teorie, malou část každého úhlová wavefront by měly dopad druhé médium než zbytek přední dosáhne rozhraní. Tato část se začne pohybovat druhým médiem, zatímco zbytek vlny stále cestuje v prvním médiu, ale bude se pohybovat pomaleji kvůli vyššímu indexu lomu druhého média. Protože vlnoplocha nyní cestuje dvěma různými rychlostmi, ohne se do druhého média, čímž změní úhel šíření. Naproti tomu teorie částic má poměrně obtížné vysvětlit, proč by částice světla měly měnit směr, když přecházejí z jednoho média do druhého. Zastánci teorie naznačují, že zvláštní síla, směrovaná kolmo k rozhraní, působí na změnu rychlosti částic při vstupu do druhého média. Přesná povaha této síly byla ponechána spekulacím a nikdy nebyly shromážděny žádné důkazy, které by dokázaly teorii.

Další vynikající srovnání obou teorií zahrnuje rozdíly, které se vyskytují, když světlo se odráží od hladkého, zrcadlového povrchu, jako zrcadlo. Teorie vln spekuluje, že světelný zdroj vyzařuje světelné vlny, které se šíří všemi směry. Po dopadu na zrcadlo, vlny se odrážejí podle příjezdu úhlů, ale s každou vlnou se otočil zpátky na frontu k výrobě převrácený obraz (Obrázek 4). Tvar přicházejících vln je silně závislý na tom, jak daleko je světelný zdroj od zrcadla. Světlo pocházející z blízkého zdroje stále udržuje kulovitý, vysoce zakřivené vlnoplochy, zatímco světlo vyzařované z dálky zdroj bude šířit více a dopad zrcadlo s, resp., že jsou téměř rovinné.

případ pro částicovou povahu světla je mnohem silnější, pokud jde o fenomén odrazu, než je tomu u lomu. Světlo vyzařované zdrojem, ať už blízko nebo daleko, přichází na povrch zrcadla jako proud částic, které se odrazí nebo se odrážejí od hladkého povrchu. Protože částice jsou velmi malé, obrovské množství jsou zapojeny v šíření světelného paprsku, kde cestují bok po boku, velmi blízko u sebe. Po dopadu na zrcadlo, částice odrazí od různých místech, takže jejich pořadí v světelný paprsek je obrácen na odraz vyrábět opačný obraz, jak je ukázáno na Obrázku 4. Teorie částic i vln adekvátně vysvětlují odraz od hladkého povrchu. Teorie částic však také naznačuje, že pokud je povrch velmi drsný, částice se odrazí v různých úhlech a rozptylují světlo. Tato teorie se velmi hodí k experimentálnímu pozorování.

částice a vlny by se také měly chovat odlišně, když narazí na okraj objektu a vytvoří stín (obrázek 5). Newton byl rychlý poukázat na to, v jeho 1704 knihu Opticks, že „Světlo je nikdy známo, že sledovat křivé dírky ani ohnout do stínu“. Tento koncept je v souladu s teorií částic, která navrhuje, že částice světla musí vždy cestovat v přímých liniích. Pokud se částice setkají s okrajem bariéry, vrhnou stín, protože částice, které nejsou blokovány bariérou, pokračují v přímce a nemohou se šířit za okrajem. V makroskopickém měřítku je toto pozorování téměř správné, ale nesouhlasí s výsledky získanými z experimentů s difrakcí světla v mnohem menším měřítku.

když světlo prochází úzkou štěrbinou, paprsek se šíří a stává se širší, než se očekávalo. Toto zásadně důležité pozorování propůjčuje značné množství důvěryhodnosti vlnové teorii světla. Jako vlny ve vodě, světlo, vlny narážet na okraj objektu se zobrazí ohýbat kolem okraje a do jeho geometrického stínu, což je oblast, která není přímo osvětlena paprsek světla. Toto chování je analogické vodním vlnám, které se omotávají kolem konce voru, místo aby se odrazily.

Téměř sto let poté, co Newton a Huygens navrhl jejich teorie, anglický fyzik Thomas Young provedl experiment, který silně podporoval vlna-jako charakter světla. Protože věřil, že světlo se skládá z vln, Young usoudil, že k nějakému typu interakce dojde, když se setkají dvě světelné vlny. Aby otestoval tuto hypotézu, použil obrazovku obsahující jednu úzkou štěrbinu k vytvoření koherentního světelného paprsku (obsahujícího vlny, které se šíří ve fázi) z běžného slunečního světla. Když sluneční paprsky narazí na štěrbinu, šíří se nebo difraktují a vytvářejí jediný vlnový průčelí. Pokud je tato fronta je povoleno k osvětlení druhé obrazovce s dvěma úzce rozmístěné štěrbiny, další dva zdroje koherentního světla, dokonale v souladu s navzájem jsou vyráběny (viz Obrázek 6). Světlo z každé štěrbiny cestující do jediného bodu na půli cesty mezi dvěma štěrbinami by mělo dorazit dokonale v kroku. Výsledné vlny by se měly navzájem posilovat, aby vytvořily mnohem větší vlnu. Nicméně, pokud bod na obou stranách centrální bod je považován za, pak světlo z jedné štěrbiny musí cestovat mnohem dál, k dosažení druhého bodu na opačné straně centrálního bodu. Světlo ze štěrbiny blíže k tomuto druhému bodu by dorazilo před světlem ze vzdálené štěrbiny, takže by obě vlny byly mimo krok a mohly by se navzájem zrušit, aby vytvořily temnotu.

Jako měl podezření, Mladý objevil, že když se světelné vlny, z druhé štěrbiny se šíří (nebo difrakci), se setkají s každým jiný a překrývají. V některých případech překrytí kombinuje dvě vlny přesně v kroku. V jiných případech jsou však světelné vlny vzájemně kombinovány buď mírně nebo úplně mimo krok. Young zjistil, že když se vlny setkaly v kroku, spojili se procesem, který se nazývá konstruktivní rušení. Vlny, které se setkají mimo krok, se navzájem vyruší, jev známý jako destruktivní rušení. Mezi těmito dvěma extrémy dochází k různým stupňům konstruktivního a destruktivního rušení, které vytváří vlny se širokým spektrem amplitud. Young byl schopen pozorovat účinky rušení na obrazovce umístěné v nastavené vzdálenosti za dvěma štěrbinami. Po difrakci vytváří světlo, které je rekombinováno rušením, řadu jasných a tmavých třásní po celé délce obrazovky.

i když zdánlivě důležité, Mladá závěry nebyly široce přijaty v době, především proto, že naprostá víra v částicové teorie. Kromě svých pozorování světelného rušení Young předpokládal, že světlo různých barev bylo složeno z vln různých délek, což je základní koncept, který je dnes široce přijímán. Naproti tomu zastánci teorie částic předpokládali, že různé barvy byly odvozeny od částic, které mají buď různé hmotnosti, nebo cestují různými rychlostmi.

interferenční efekt není omezen na světlo. Vlny produkované na povrchu bazénu nebo rybníka se rozšíří ve všech směrech a podstoupí stejné chování. Tam, kde se dvě vlny setkávají v kroku, se spojí, aby vytvořily větší vlnu konstruktivním rušením. Srážející se vlny, které jsou mimo krok, se navzájem zruší ničivým rušením a vytvoří na vodě rovný povrch.

ještě více důkazů o vlnové povaze světla bylo odhaleno, když bylo pečlivě zkoumáno chování světelného paprsku mezi zkříženými polarizátory (Obrázek 7). Polarizační filtry mají jedinečnou molekulární strukturu, která umožňuje průchod pouze světla s jedinou orientací. Jinými slovy, polarizátor lze považovat za speciální typ molekulární žaluzie mají malé řad lamel, které jsou orientované v jednom směru v polarizační materiál. Pokud paprsek světla je dovoleno dopad polarizátor, pouze světelné paprsky, orientované rovnoběžné s polarizační směru jsou schopny projít přes polarizátor. Pokud je druhý polarizátor umístěn za prvním a orientován ve stejném směru, pak světlo procházející prvním polarizátorem také projde druhým.

pokud se však druhý polarizátor otáčí pod malým úhlem, množství procházejícího světla se sníží. Když se druhý polarizátor otočí tak, že orientace je kolmá k orientaci prvního polarizátoru, pak žádné světlo procházející prvním polarizátorem neprojde druhým. Tento efekt lze snadno vysvětlit teorií vln, ale žádná manipulace s teorií částic nemůže vysvětlit, jak je světlo blokováno druhým polarizátorem. Ve skutečnosti teorie částic také není dostatečná k vysvětlení interference a difrakce, účinků, které by se později zjistily jako projevy stejného jevu.

účinky pozorované u polarizovaného světla byly rozhodující pro vývoj konceptu, že světlo sestává z příčných vln, které mají složky, které jsou kolmé ke směru šíření. Každá z příčných součástí musí mít specifický směr orientace, který jí umožňuje buď projít, nebo být blokován polarizátorem. Pouze ty vlny s příčnou složkou rovnoběžnou s polarizačním filtrem projdou a všechny ostatní budou blokovány.

v polovině roku 1800, vědci jsou stále více přesvědčeni, vlna-jako charakter světla, ale tam zůstal jeden arogantní problém. Co přesně je světlo? Průlom byl učiněn, když to bylo objevil anglický fyzik James Clerk Maxwell, že všechny formy elektromagnetického záření představují spojité spektrum, a cestovat přes vakuum při stejné rychlosti: 186.000 mil za sekundu. Maxwellův objev účinně přibitý rakev částicové teorie a počátku 20. Století, zdálo se, že základní otázky světla a optické teorie byly nakonec vyslyšeny.

hlavní úder na vlnové teorie došlo v zákulisí v pozdních 1880s, když vědci poprvé zjistili, že za určitých podmínek se světlo může uvolnit elektrony z atomů z několika kovů (Obrázek 8). Ačkoli zpočátku jen zvědavý a nevysvětlitelný jev, bylo rychle zjištěno, že ultrafialové světlo může uvolnit atomy elektronů v široké škále kovů a vytvořit pozitivní elektrický náboj. Německý fyzik Philipp Lenard se začal zajímat o tato pozorování, která nazval fotoelektrický efekt. Lenard použil hranol k rozdělení bílého světla na barvy jeho složek, a pak selektivně zaměřil každou barvu na kovovou desku, aby vytlačil elektrony.

to, co Lenard objevil, ho zmátlo a ohromilo. Pro specifickou vlnovou délku světla (například modrou) produkovaly elektrony konstantní potenciál nebo pevné množství energie. Snížení nebo zvýšení množství světla produkované odpovídající zvýšení nebo snížení počtu elektrony osvobozené, ale každý stále udržuje stejnou energii. Jinými slovy, elektrony unikající jejich atomové dluhopisy energie, které byly závislé na vlnové délce světla, ne intenzitou. To je v rozporu s tím, co by se dalo očekávat od teorie vln. Lenard také objevil souvislost mezi vlnovou délkou a energií: kratší vlnové délky produkovaly elektrony s větším množstvím energie.

nadace pro spojení mezi světlem a atomy byl obsazen v časných 1800s, když William Hyde Wollaston objevil, že sluneční spektrum nebyl průběžný pruh světla, ale obsahoval stovky chybějící vlnové délky. Přes 500 úzkých čar odpovídajících chybějícím vlnovým délkám zmapoval německý fyzik Joseph von Fraunhofer, který přiřadil písmena k největším mezerám. Později bylo zjištěno, že mezery byly vytvořeny absorpcí specifických vlnových délek atomy ve vnější vrstvě slunce. Tato pozorování byla jednou z prvních vazeb mezi atomy a světlem, ačkoli zásadní dopad nebyl v té době pochopen.

v roce 1905 Albert Einstein předpokládal, že světlo může mít ve skutečnosti některé vlastnosti částic, bez ohledu na ohromující důkazy o vlnové povaze. V rozvoji kvantové teorie, matematicky Einstein navrhl, že elektrony připojen na atomy v kovu může absorbovat určité množství světla (první tzv. kvantové, ale později se změní na foton), a tedy mít energii k útěku. On také spekuloval, že pokud je energie fotonu byla nepřímo úměrná vlnové délce, pak kratší vlnové délky by produkovat elektrony s vyšší energií, hypotéza nese ve skutečnosti z výsledků Lenard výzkumu.

Einsteinova teorie byla zpevněna v roce 1920 experimenty amerického fyzika Arthura h. Compton, který prokázal, že fotony mají hybnost, nezbytný předpoklad pro podporu teorie, že hmota a energie jsou zaměnitelné. Přibližně ve stejnou dobu francouzský vědec Louis-Victor de Broglie navrhl, že veškerá hmota a záření mají vlastnosti, které se podobají jak částici, tak vlně. De Broglieho, po Max Planck vést, extrapolováno Einsteinova slavného vzorce týkající hmoty a energie zahrnout Planckova konstanta:

, kde E je energie částice, m hmotnost, c je rychlost světla, h je Planckova konstanta a ν je frekvence. De Broglieho práce, která se týká frekvence vln na energii a hmotnost částice, byla zásadní při vývoji nové oblasti, které by nakonec být využity vysvětlit, jak vlny a částice-jako povaha světla. Kvantová mechanika se narodil z výzkumu Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr, Erwin Schrödinger a další, kdo se pokusil vysvětlit, jak elektromagnetické záření může zobrazit to, co se nyní nazývá dualita, nebo obě částice a vlny-jako chování. Někdy se světlo chová jako částice a jindy jako vlna. Tento komplementární, nebo dual, roli pro chování světla lze použít k popisu všechny známé vlastnosti, které byly zjištěny experimentálně, od lomu, odrazu, interference a difrakce, výsledky s polarizovaného světla a fotoelektrického jevu. Kombinované vlastnosti světla spolupracují a umožňují nám pozorovat krásu vesmíru.