lys: partikel eller en bølge?

den nøjagtige natur af synligt lys er et mysterium, der har forvirret mennesket i århundreder. Græske forskere fra den gamle pythagoranske disciplin postulerede, at ethvert synligt objekt udsender en jævn strøm af partikler, mens Aristoteles konkluderede, at lys bevæger sig på en måde, der ligner bølger i havet. Selvom disse ideer har gennemgået adskillige ændringer og en betydelig grad af udvikling i løbet af de sidste 20 århundreder, forbliver essensen af den tvist, der er oprettet af de græske filosoffer, den dag i dag.

et synspunkt forestiller lys som bølgelignende i naturen og producerer energi, der krydser gennem rummet på en måde, der ligner krusningerne, der spreder sig over overfladen af en stille dam efter at være forstyrret af en faldet klippe. Den modsatte opfattelse hævder, at lys er sammensat af en jævn strøm af partikler, ligesom små dråber vand sprøjtet fra en haveslangedyse. I løbet af de sidste par århundreder har konsensus om mening vaklet med den ene opfattelse, der hersker i en periode, kun for at blive væltet af bevis for den anden. Først i de første årtier af det 20.århundrede blev der indsamlet nok overbevisende beviser til at give et omfattende svar, og til alles overraskelse viste begge teorier sig at være korrekte, i det mindste delvist.

i begyndelsen af det attende århundrede havde argumentet om lysets natur forvandlet det videnskabelige samfund til opdelte lejre, der kæmpede kraftigt over gyldigheden af deres yndlingsteorier. En gruppe forskere, der abonnerede på bølgeteorien, centrerede deres argumenter om opdagelserne af hollænderen Christiaan Huygens. Den modsatte lejr citerede Sir Isaac Nyton ‘ s prisme eksperimenter som bevis på, at lys rejste som et brusebad af partikler, hver fortsatte i en lige linje, indtil det blev brudt, absorberet, reflekteret, diffrakteret eller forstyrret på en anden måde. Selvom han selv syntes at være i tvivl om hans korpuskulære teori om lysets natur, havde hans prestige i det videnskabelige samfund så stor vægt, at hans fortalere ignorerede alle andre beviser under deres voldsomme kampe.

Huygens ‘ teori om lysbrydning, baseret på begrebet lysets bølgelignende natur, mente, at lysets hastighed i ethvert stof var omvendt proportionalt med dets brydningsindeks. Med andre ord postulerede Huygens, at jo mere lys blev “bøjet” eller brudt af et stof, jo langsommere ville det bevæge sig, mens det krydsede over stoffet. Hans tilhængere konkluderede, at hvis lys var sammensat af en strøm af partikler, ville den modsatte virkning forekomme, fordi lys, der kommer ind i et tættere medium, ville blive tiltrukket af molekyler i mediet og opleve en stigning snarere end et fald i hastighed. Selvom den perfekte løsning på dette argument ville være at måle lysets hastighed i forskellige stoffer, for eksempel luft og glas, var periodens enheder ikke op til opgaven. Lys syntes at bevæge sig med samme hastighed uanset det materiale, gennem hvilket det passerede. Over 150 år gik, før lysets hastighed kunne måles med en høj nok nøjagtighed til at bevise, at Huygens-teorien var korrekt.

på trods af Sir Isaac Nyton ‘s højt ansete ry var en række fremtrædende forskere i begyndelsen af 1700’ erne ikke enige i hans korpuskulære teori. Nogle hævdede, at hvis lys bestod af partikler, så når to bjælker krydses, ville nogle af partiklerne kollidere med hinanden for at frembringe en afvigelse i lysstrålerne. Det er klart, at dette ikke er tilfældet, så de konkluderede, at lys ikke må bestå af individuelle partikler.

Huygens, for al sin intuition, havde foreslået i sin 1690-afhandling trait Kristian De La Lumi, at lysbølger rejste gennem rummet medieret af æteren, et mystisk vægtløst stof, der eksisterer som en usynlig enhed i hele luft og rum. Søgningen efter ether forbrugte en betydelig mængde ressourcer i det nittende århundrede, før den endelig blev lagt til hvile. Etherteorien varede i det mindste indtil slutningen af 1800 ‘ erne, som det fremgår af Charles Hvedestones foreslåede model, der demonstrerede, at ether bar lysbølger ved at vibrere i en vinkel vinkelret på retningen af lysudbredelse, og James Clerk. Huygens mente, at ether vibrerede i samme retning som lys og dannede en bølge i sig selv, da den bar lysbølgerne. I et senere bind, Huygens’ princip, beskrev han genialt, hvordan hvert punkt på en bølge kunne producere sine egne bølger, som derefter tilføjes sammen for at danne en bølgefront. Huygens anvendte denne ide til at producere en detaljeret teori for brydningsfænomenet, og også for at forklare, hvorfor lysstråler ikke kolliderer ind i hinanden, når de krydser stier.

når en lysstråle bevæger sig mellem to medier med forskellige brydningsindekser, gennemgår strålen brydning og ændrer retning, når den passerer fra det første medium til det andet. For at bestemme, om lysstrålen er sammensat af bølger eller partikler, kan en model for hver udtænkes for at forklare fænomenet (figur 3). Ifølge Huygens ‘ bølgeteori skal en lille del af hver vinklet bølgefront påvirke det andet medium, før resten af fronten når grænsefladen. Denne del begynder at bevæge sig gennem det andet medium, mens resten af bølgen stadig bevæger sig i det første medium, men vil bevæge sig langsommere på grund af det andet mediums højere brydningsindeks. Fordi bølgefronten nu kører med to forskellige hastigheder, vil den bøje sig ind i det andet medium og dermed ændre udbredelsesvinklen. I modsætning hertil har partikelteori en temmelig vanskelig tid med at forklare, hvorfor lyspartikler skal ændre retning, når de passerer fra et medium til et andet. Proponenter af teorien antyder, at en særlig kraft, rettet vinkelret på grænsefladen, virker for at ændre partiklernes hastighed, når de kommer ind i det andet medium. Den nøjagtige karakter af denne styrke blev overladt til spekulation, og der er aldrig indsamlet noget bevis for at bevise teorien.

en anden fremragende sammenligning af de to teorier involverer de forskelle, der opstår, når lys reflekteres fra en glat, spejlende overflade, såsom et spejl. Bølgeteori spekulerer i, at en lyskilde udsender lysbølger, der spreder sig i alle retninger. Ved påvirkning af et spejl reflekteres bølgerne i henhold til ankomstvinklerne, men med hver bølge vendt tilbage til fronten for at producere et omvendt billede (figur 4). Formen af ankommende bølger er stærkt afhængig af, hvor langt lyskilden er fra spejlet. Lys, der stammer fra en tæt kilde, opretholder stadig en sfærisk, stærkt buet bølgefront, mens lys, der udsendes fra en fjernkilde, spreder sig mere og påvirker spejlet med bølgefronter, der næsten er plane.

sagen for en partikel natur for lys er langt stærkere med hensyn til reflektionsfænomenet end det er for brydning. Lys, der udsendes af en kilde, uanset om det er nær eller langt, ankommer til spejloverfladen som en strøm af partikler, der springer væk eller reflekteres fra den glatte overflade. Fordi partiklerne er meget små, er et stort antal involveret i en formerende lysstråle, hvor de rejser side om side meget tæt sammen. Efter påvirkning af spejlet hopper partiklerne fra forskellige punkter, så deres rækkefølge i lysstrålen vendes ved refleksion for at producere et omvendt billede, som vist i figur 4. Både partikel-og bølgeteorierne forklarer tilstrækkeligt refleksion fra en glat overflade. Partikelteorien antyder imidlertid også, at hvis overfladen er meget ru, springer partiklerne væk i forskellige vinkler og spreder lyset. Denne teori passer meget tæt på eksperimentel observation.

partikler og bølger skal også opføre sig anderledes, når de støder på kanten af et objekt og danner en skygge (figur 5). I sin bog Opticks fra 1704 påpegede han hurtigt, at”lys er aldrig kendt for at følge skæve passager eller bøje sig ind i skyggen”. Dette koncept er i overensstemmelse med partikelteorien, som foreslår, at lyspartikler altid skal bevæge sig i lige linjer. Hvis partiklerne støder på kanten af en barriere, vil de kaste en skygge, fordi partiklerne, der ikke er blokeret af barrieren, fortsætter i en lige linje og ikke kan sprede sig bag kanten. I makroskopisk skala er denne observation næsten korrekt, men den er ikke enig i resultaterne opnået fra lysdiffraktionseksperimenter i meget mindre skala.

når lyset passerer gennem en smal spalte, spredes strålen og bliver bredere end forventet. Denne grundlæggende vigtige observation giver en betydelig mængde troværdighed til bølgeteorien om lys. Ligesom bølger i vand ser lysbølger, der støder på kanten af et objekt, ud til at bøje sig rundt om kanten og ind i dens geometriske skygge, som er et område, der ikke er direkte oplyst af lysstrålen. Denne opførsel er analog med vandbølger, der vikles rundt om enden af en flåde i stedet for at reflektere væk.

næsten hundrede år efter, at Nyton og Huygens foreslog deres teorier, udførte en engelsk fysiker ved navn Thomas Young et eksperiment, der stærkt støttede lysets bølgelignende natur. Fordi han troede, at lys var sammensat af bølger, begrundede Young, at der ville opstå en form for interaktion, når to lysbølger mødtes. For at teste denne hypotese brugte han en skærm indeholdende en enkelt, smal spalte til at producere en sammenhængende lysstråle (indeholdende bølger, der formerer sig i fase) fra almindeligt sollys. Når solens stråler støder på spalten, spredes de ud eller diffrakteres for at producere en enkelt bølgefront. Hvis denne front får lov til at belyse en anden skærm med to tæt adskilte spalter, produceres yderligere to kilder til sammenhængende lys, perfekt i takt med hinanden (se figur 6). Lys fra hver spalte, der rejser til et enkelt punkt halvvejs mellem de to spalter, skal ankomme perfekt i trin. De resulterende bølger skal forstærke hinanden for at producere en meget større bølge. Men hvis et punkt på hver side af det centrale punkt overvejes, skal lys fra en spalte rejse meget længere for at nå et andet punkt på den modsatte side af det centrale punkt. Lys fra spalten tættere på dette andet punkt ville ankomme før lys fra den fjerne spalte, så de to bølger ville være ude af trit med hinanden og kunne annullere hinanden for at frembringe mørke.

som han mistænkte, opdagede Young, at når lysbølgerne fra det andet sæt slidser spredes (eller diffrakteres), møder de hinanden og overlapper hinanden. I nogle tilfælde kombinerer overlapningen de to bølger nøjagtigt i trin. I andre tilfælde kombineres lysbølgerne enten lidt eller helt ude af trit med hinanden. Young fandt ud af, at når bølgerne mødtes i trin, tilføjede de sammen ved en proces, der er blevet kaldt konstruktiv indblanding. Bølger, der mødes ude af trin, annullerer hinanden, et fænomen kendt som destruktiv interferens. Mellem disse to ekstremer forekommer forskellige grader af konstruktiv og destruktiv interferens for at producere bølger med et bredt spektrum af amplituder. Young var i stand til at observere virkningerne af interferens på en skærm placeret i en bestemt afstand bag de to spalter. Efter at være diffrakteret producerer lyset, der rekombineres af interferens, en række lyse og mørke frynser langs skærmens længde.

selvom det tilsyneladende var vigtigt, blev Youngs konklusioner ikke bredt accepteret på det tidspunkt, primært på grund af den overvældende tro på partikelteorien. Ud over hans observationer om lysinterferens postulerede Young, at lys i forskellige farver var sammensat af bølger med forskellige længder, et grundlæggende koncept, der er bredt accepteret i dag. I modsætning hertil forestillede partikelteoriens fortalere sig, at forskellige farver blev afledt af partikler, der enten havde forskellige masser eller rejste med forskellige hastigheder.

interferenseffekten er ikke begrænset til lys. Bølger produceret på overfladen af en pool eller dam spredes i alle retninger og gennemgår en identisk opførsel. Hvor to bølger mødes i trin, vil de tilføje sammen for at skabe en større bølge ved konstruktiv interferens. Kolliderende bølger, der er ude af trin, annullerer hinanden via destruktiv interferens og producerer en plan overflade på vandet.

endnu flere beviser for en bølgelignende natur af lys blev afdækket, da opførelsen af en lysstråle mellem krydsede polarisatorer blev omhyggeligt undersøgt (Figur 7). Polariserende filtre har en unik molekylær struktur, der kun tillader lys med en enkelt orientering at passere igennem. Med andre ord kan en polarisator betragtes som en specialiseret type molekylær venetiansk blind med små rækker af lameller, der er orienteret i en enkelt retning inden for det polariserende materiale. Hvis en lysstråle får lov til at påvirke en polarisator, er kun lysstråler orienteret parallelt med polariseringsretningen i stand til at passere gennem polarisatoren. Hvis en anden polarisator er placeret bag den første og orienteret i samme retning, vil lys, der passerer gennem den første polarisator, også passere gennem den anden.

men hvis den anden polarisator drejes i en lille vinkel, reduceres mængden af lys, der passerer igennem. Når den anden polarisator drejes, så orienteringen er vinkelret på den første polarisator, vil intet af lyset, der passerer gennem den første polarisator, passere gennem det andet. Denne effekt forklares let med bølgeteorien, men ingen manipulation af partikelteorien kan forklare, hvordan lys blokeres af den anden polarisator. Faktisk er partikelteorien heller ikke tilstrækkelig til at forklare interferens og diffraktion, effekter, der senere ville blive fundet at være manifestationer af det samme fænomen.

virkningerne observeret med polariseret lys var kritiske for udviklingen af konceptet, at lys består af tværgående bølger med komponenter, der er vinkelret på udbredelsesretningen. Hver af de tværgående komponenter skal have en bestemt orienteringsretning, der gør det muligt at enten passere igennem eller blokeres af en polarisator. Kun de bølger med en tværgående komponent parallelt med polariseringsfilteret vil passere igennem, og alle andre vil blive blokeret.

i midten af 1800 ‘ erne blev forskere mere og mere overbeviste om lysets bølgelignende karakter, men der var stadig et anmassende problem. Præcis hvad er lys? Et gennembrud blev gjort, da det blev opdaget af den engelske fysiker James Clerk, at alle former for elektromagnetisk stråling repræsenterer et kontinuerligt spektrum og rejser gennem et vakuum med samme hastighed: 186.000 miles per sekund. I begyndelsen af det 20.århundrede så det ud til, at de grundlæggende spørgsmål om lys og optisk teori endelig var blevet besvaret.

et stort slag mod bølgeteorien opstod bag kulisserne i slutningen af 1880 ‘ erne, da forskere først opdagede, at lys under visse betingelser kunne fjerne elektroner fra atomerne i flere metaller (figur 8). Selvom det først kun var et nysgerrig og uforklarligt fænomen, blev det hurtigt opdaget, at ultraviolet lys kunne lindre atomer af elektroner i en lang række metaller for at producere en positiv elektrisk ladning. Den tyske fysiker Philipp Lenard blev interesseret i disse observationer, som han kaldte den fotoelektriske effekt. Lenard brugte et prisme til at opdele hvidt lys i dets komponentfarver og fokuserede derefter selektivt hver farve på en metalplade for at udvise elektroner.

hvad Lenard opdagede forvirret og forbløffet ham. For en bestemt bølgelængde af lys (for eksempel blå) producerede elektronerne et konstant potentiale eller en fast mængde energi. At reducere eller øge mængden af lys producerede en tilsvarende stigning eller fald i antallet af frigjorte elektroner, men hver opretholdt stadig den samme energi. Med andre ord havde elektroner, der undslippede deres atombindinger, energier, der var afhængige af lysets bølgelængde, ikke intensiteten. Dette er i modsætning til hvad man kunne forvente af bølgeteorien. Lenard opdagede også en forbindelse mellem bølgelængde og energi: kortere bølgelængder producerede elektroner med større mængder energi.

grundlaget for en forbindelse mellem lys og atomer blev støbt i begyndelsen af 1800-tallet, da han opdagede, at solens spektrum ikke var et kontinuerligt lysbånd, men indeholdt hundredvis af manglende bølgelængder. Over 500 smalle linjer svarende til manglende bølgelængder blev kortlagt af den tyske fysiker Joseph von Fraunhofer, der tildelte breve til de største huller. Senere blev det opdaget, at hullerne blev produceret ved absorption af specifikke bølgelængder af atomer i Solens ydre lag. Disse observationer var nogle af de første forbindelser mellem atomer og lys, skønt den grundlæggende virkning ikke blev forstået på det tidspunkt.

i 1905 postulerede Albert Einstein, at lys faktisk kunne have nogle partikelegenskaber, uanset det overvældende bevis for en bølgelignende natur. I udviklingen af sin kvanteteori foreslog Einstein matematisk, at elektroner, der er knyttet til atomer i et metal, kan absorbere en bestemt mængde lys (først betegnet et kvante, men senere ændret til en foton) og dermed have energi til at flygte. Han spekulerede også i, at hvis en fotons energi var omvendt proportional med bølgelængden, ville kortere bølgelængder producere elektroner med højere energier, en hypotese, der faktisk bæres af resultaterne af Lenards forskning.

Einsteins teori blev størknet i 1920 ‘ erne af eksperimenterne fra den amerikanske fysiker Arthur H. Compton, der demonstrerede, at fotoner havde momentum, en nødvendig forudsætning for at understøtte teorien om, at stof og energi er udskiftelige. Omkring samme tid foreslog den franske videnskabsmand Louis-Victor de Broglie, at alt stof og stråling har egenskaber, der ligner både en partikel og en bølge. De Broglie ekstrapolerede Einsteins berømte formel vedrørende masse og energi til at omfatte Plancks konstant:

hvor E er energien fra en partikel, m massen, c er lysets hastighed, h er Plancks konstant, og KR er frekvensen. De Broglies arbejde, der relaterer frekvensen af en bølge til energien og massen af en partikel, var grundlæggende i udviklingen af et nyt felt, der i sidste ende ville blive brugt til at forklare både lysets bølgelignende og partikellignende natur. Kvantemekanik blev født af Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr og andre, der forsøgte at forklare, hvordan elektromagnetisk stråling kan vise, hvad der nu er blevet betegnet dualitet eller både partikellignende og bølgelignende adfærd. Til tider opfører Lys sig som en partikel og andre gange som en bølge. Denne komplementære eller dobbelte rolle for lysets opførsel kan anvendes til at beskrive alle de kendte egenskaber, der er blevet observeret eksperimentelt, lige fra brydning, refleksion, interferens og diffraktion til resultaterne med polariseret lys og den fotoelektriske effekt. Kombineret arbejder lysets egenskaber sammen og giver os mulighed for at observere universets skønhed.