valo: hiukkanen vai Aalto?

näkyvän valon tarkka luonne on mysteeri, joka on askarruttanut ihmistä vuosisatojen ajan. Antiikin pythagoralaisen tieteenalan kreikkalaiset tutkijat olettivat, että jokainen näkyvä kappale säteilee tasaista hiukkasvirtaa, kun taas Aristoteles päätteli, että valo kulkee samalla tavalla kuin aallot meressä. Vaikka näihin ajatuksiin on tehty lukuisia muutoksia ja huomattava kehitysaste 20 viime vuosisadan aikana, kreikkalaisten filosofien perustaman kiistan ydin on säilynyt tähän päivään asti.

erään näkökulman mukaan valo on luonteeltaan aaltomaista, ja se tuottaa energiaa, joka kulkee avaruuden halki samalla tavalla kuin aaltoilut, jotka leviävät Tyynen lammen pinnalle pudotetun kiven häirittyä sitä. Vastakkaisen näkemyksen mukaan valo koostuu tasaisesta hiukkasvirrasta, joka muistuttaa suuresti puutarhaletkun suuttimesta suihkutettavia pieniä vesipisaroita. Muutamien viime vuosisatojen aikana mielipiteiden yksimielisyys on horjunut niin, että toinen näkemys on ollut vallalla jonkin aikaa, mutta todisteet ovat kumonneet sen toisen puolesta. Vasta 1900-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä saatiin kerättyä tarpeeksi vakuuttavia todisteita kattavan vastauksen antamiseksi, ja kaikkien yllätykseksi molemmat teoriat osoittautuivat ainakin osittain oikeiksi.

1700-luvun alussa väittely valon luonteesta oli saanut tiedeyhteisön jakautuneisiin leireihin, jotka taistelivat kiivaasti suosikkiteorioidensa pätevyydestä. Eräs aaltoteorian kannattajaryhmä keskitti argumenttinsa hollantilaisen Christiaan Huygensin löytöihin. Vastakkainen leiri mainitsi Sir Isaac Newtonin prismakokeet todisteeksi siitä, että valo kulki hiukkassuihkuna, ja jokainen niistä eteni suorassa linjassa, kunnes se taittui, absorboitui, heijastui, diffraktioitui tai häiriintyi jollakin muulla tavalla. Vaikka Newtonilla itsellään näytti olevan epäilyksiä valon luonnetta koskevasta solususkulaarisesta teoriastaan, hänen arvovallallaan tiedeyhteisössä oli niin suuri painoarvo, että hänen kannattajansa jättivät kaikki muut todisteet huomiotta raivokkaiden taistelujensa aikana.

Huygensin teoria valon taittumisesta, joka perustui valon aaltomaisen luonteen käsitteeseen, katsoi, että valon nopeus missä tahansa aineessa oli kääntäen verrannollinen sen taitekertoimeen. Toisin sanoen Huygens oletti, että mitä enemmän jokin aine ”taivutti” tai taittoi valoa, sitä hitaammin se liikkuisi kulkiessaan kyseisen aineen poikki. Hänen seuraajansa päättelivät, että jos valo koostuisi hiukkasvirrasta, silloin tapahtuisi päinvastainen vaikutus, koska tiheämpään väliaineeseen tuleva valo vetäisi puoleensa väliaineessa olevia molekyylejä ja kokisi nopeuden lisääntymisen eikä vähenemisen. Vaikka täydellinen ratkaisu tähän väitteeseen olisi valonnopeuden mittaaminen esimerkiksi eri aineissa, ilmassa ja lasissa, aikakauden laitteet eivät olleet tehtävän tasalla. Valo näytti liikkuvan samalla nopeudella riippumatta siitä, minkä materiaalin läpi se kulki. Kului yli 150 vuotta ennen kuin valonnopeus voitiin mitata riittävän suurella tarkkuudella, jotta Huygensin teoria voitiin todistaa oikeaksi.

Sir Isaac Newtonin arvostetusta maineesta huolimatta joukko merkittäviä tiedemiehiä ei 1700-luvun alussa ollut samaa mieltä hänen korpuskulaariteoriansa kanssa. Jotkut väittivät, että jos valo koostuu hiukkasista, niin kun kaksi palkkia on ristissä, jotkut hiukkaset törmäisivät toisiinsa tuottaakseen poikkeaman valonsäteissä. Näin ei tietenkään ole, joten he päättelivät, että valo ei saa koostua yksittäisistä hiukkasista.

Huygens oli kaikesta intuitiostaan huolimatta esittänyt vuonna 1690 ilmestyneessä tutkielmassaan Traité de la Lumière, että valoaallot kulkivat avaruudessa eetterin, mystisen painottoman aineen, välittämänä, näkymättömänä olentona kaikkialla ilmassa ja avaruudessa. Eetterin etsintä kulutti 1800-luvulla huomattavan määrän resursseja ennen kuin se lopulta laskettiin lepoon. Eetteriteoria kesti ainakin 1800-luvun lopulle, mistä todistavat Charles Wheatstonen ehdottama malli, joka osoitti eetterin kuljettaneen valoaaltoja värähtelemällä kulmassa, joka on kohtisuorassa valon etenemissuuntaan nähden, ja James Clerk Maxwellin yksityiskohtaiset mallit, jotka kuvasivat näkymättömän aineen rakennetta. Huygens uskoi, että eetteri värähteli samaan suuntaan kuin valo, ja muodosti itse aallon kuljettaessaan valoaaltoja. Myöhemmin määrä, Huygens ” periaate, hän nerokkaasti kuvattu, miten jokainen kohta aalto voisi tuottaa omia waveletit, jotka sitten yhteen muodostaa aaltorintaman. Huygens käyttää tätä ajatusta tuottaa yksityiskohtainen teoria taittumisen ilmiö, ja myös selittää, miksi valonsäteet eivät törmää toisiinsa, kun ne risteävät polkuja.

kun valonsäde kulkee kahden väliaineen välillä, joilla on erilaiset taitekertoimen indeksit, säde käy läpi taittumisen ja muuttaa suuntaa siirtyessään ensimmäisestä väliaineesta toiseen. Sen määrittämiseksi, muodostuuko valonsäde aalloista vai hiukkasista, voidaan kullekin laatia malli ilmiön selittämiseksi (kuva 3). Huygensin aaltoteorian mukaan pieni osa jokaisesta kulmikkaasta aaltorintamasta tulisi osua toiseen väliaineeseen ennen kuin muu etupuoli saavuttaa rajapinnan. Tämä osa alkaa liikkua toisen väliaineen läpi muun aallon vielä kulkiessa ensimmäisessä väliaineessa, mutta liikkuu hitaammin toisen väliaineen korkeamman taitekertoimen vuoksi. Koska aaltorintama kulkee nyt kahdella eri nopeudella, se taipuu toiseen väliaineeseen, jolloin etenemiskulma muuttuu. Sen sijaan hiukkasteorialla on melko vaikea aika selittää, miksi valohiukkasten pitäisi muuttaa suuntaa siirtyessään väliaineesta toiseen. Teorian kannattajat ehdottavat, että erityinen voima, joka on suunnattu kohtisuoraan rajapintaa vastaan, toimii muuttaakseen hiukkasten nopeutta niiden saapuessa toiseen väliaineeseen. Tämän voiman tarkka luonne jätettiin arvailujen varaan,eikä teoriaa vastaan ole koskaan kerätty todisteita.

toinen näiden kahden teorian erinomainen vertailu liittyy eroihin, joita syntyy, kun valo heijastuu sileästä, spekulaarisesta pinnasta, kuten peilistä. Aaltoteorian mukaan valonlähde lähettää valoaaltoja, jotka leviävät kaikkiin suuntiin. Peiliin törmätessään aallot heijastuvat tulokulmien mukaan, mutta jokaisen aallon kääntyessä takaisin eteen, jolloin syntyy käänteinen kuva (kuva 4). Saapuvien aaltojen muoto riippuu voimakkaasti siitä, kuinka kaukana valonlähde on peilistä. Läheisestä lähteestä peräisin oleva valo säilyttää edelleen pallomaisen, erittäin kaarevan aaltorintaman, kun taas kaukaa lähtevä valo leviää enemmän ja vaikuttaa peiliin aaltorintamalla, joka on lähes tasomainen.

valon hiukkasluonne on heijastusilmiön suhteen paljon voimakkaampi kuin taittuminen. Lähellä tai kaukana olevan lähteen lähettämä valo saapuu peilin pintaan hiukkasvirtana,joka kimpoaa pois tai heijastuu sileästä pinnasta. Koska hiukkaset ovat hyvin pieniä, valtava määrä on mukana etenevässä valonsäteessä, jossa ne kulkevat rinnakkain hyvin lähellä toisiaan. Kun hiukkaset törmäävät peiliin, ne kimpoavat eri kohdista, joten niiden järjestys valonsäteessä kääntyy heijastuksen jälkeen päinvastaiseksi kuvan tuottamiseksi, kuten kuvassa 4 osoitetaan. Sekä hiukkas-että aaltoteoriat selittävät riittävästi heijastumista sileältä pinnalta. Hiukkasteorian mukaan hiukkaset pomppivat kuitenkin myös pois eri kulmissa sirottaen valoa, jos pinta on hyvin karkea. Tämä teoria sopii hyvin läheisesti kokeelliseen havaintoon.

hiukkasten ja aaltojen tulisi myös käyttäytyä eri tavalla kohdatessaan kappaleen reunan ja muodostaessaan varjon (kuva 5). Newton huomautti vuonna 1704 ilmestyneessä kirjassaan Opticks, että ”valon ei tiedetä koskaan seuraavan vinoja kohtia eikä taipuvan varjoon”. Käsite on yhtäpitävä hiukkasteorian kanssa, jonka mukaan valohiukkasten on kuljettava aina suorina linjoina. Jos hiukkaset kohtaavat esteen reunan, ne luovat varjon, koska hiukkaset, joita este ei estä, jatkavat suoraa linjaa eivätkä voi levittäytyä reunan taakse. Makroskooppisella asteikolla tämä havainto on lähes oikea, mutta se ei ole yhtäpitävä paljon pienemmässä mittakaavassa valon diffraktiokokeista saatujen tulosten kanssa.

kun valo kulkee kapean raon läpi, säde leviää ja tulee odotettua leveämmäksi. Tämä perustavanlaatuisesti tärkeä havainto antaa merkittävää uskottavuutta valon aaltoteorialle. Veden aaltojen tavoin kohteen reunan kohdanneet valoaallot näyttävät taipuvan reunan ympäri ja sen geometriseen varjoon, joka on alue, jota valonsäde ei suoraan valaise. Tämä käyttäytyminen on analogista kuin vesiaallot, jotka kietoutuvat lautan pään ympärille sen sijaan, että ne heijastuisivat pois.

lähes sata vuotta sen jälkeen, kun Newton ja Huygens esittivät teoriansa, englantilainen fyysikko Thomas Young teki kokeen, joka tuki voimakkaasti valon aaltomaista luonnetta. Koska Young uskoi valon koostuvan aalloista, hän päätteli, että kahden valoaallon kohdatessa tapahtuisi jonkinlainen vuorovaikutus. Tämän hypoteesin testaamiseksi hän käytti seulaa, joka sisälsi yhden kapean raon, tuottamaan tavallisesta auringonvalosta koherentin valonsäteen (joka sisälsi aaltoja, jotka etenevät vaiheittain). Kun auringonsäteet kohtaavat raon, ne levittäytyvät tai diffraktoituvat muodostaen yhden aaltorintaman. Jos tämä etupuoli saa valaista toisen kuvaruudun, jossa on kaksi lähekkäin olevaa rakoa, saadaan kaksi muuta koherenttia valonlähdettä, jotka ovat täysin samassa tahdissa keskenään (KS.kuva 6). Valo jokaisesta raosta matkalla yhteen pisteeseen kahden raon puolivälissä pitäisi saapua täydellisesti askel. Tuloksena aaltojen pitäisi vahvistaa toisiaan tuottaa paljon suurempi Aalto. Jos kuitenkin tarkastellaan keskipisteen kummallakin puolella olevaa pistettä, niin yhdestä raosta tulevan valon on kuljettava paljon kauemmas saavuttaakseen toisen pisteen keskipisteen vastakkaisella puolella. Lähempänä tätä toista pistettä olevasta raosta tuleva valo saapuisi ennen kaukaisesta raosta tulevaa valoa, joten nämä kaksi aaltoa olisivat epätahdissa toistensa kanssa ja saattaisivat kumota toisensa synnyttääkseen pimeyden.

kuten hän epäili, Young havaitsi, että kun toisen rakojen joukon valoaallot leviävät (tai diffraktoituvat), ne kohtaavat toisensa ja menevät päällekkäin. Joissakin tapauksissa päällekkäisyys yhdistää kaksi aaltoa täsmälleen askel. Muissa tapauksissa valoaallot kuitenkin yhdistyvät joko hieman tai täysin toisistaan poikkeaviksi. Young havaitsi, että kun aallot kohtasivat vaiheittain, ne yhdistyivät prosessissa, jota on alettu kutsua rakentavaksi häirinnäksi. Aallot, jotka kohtaavat toisensa, kumoavat toisensa.ilmiö tunnetaan tuhovoimaisena häiriönä. Näiden kahden ääripään välillä esiintyy eriasteisia rakentavia ja tuhoisia häiriöitä, jotka tuottavat aaltoja, joilla on laaja amplitudien spektri. Young pystyi havainnoimaan häirinnän vaikutuksia näytöltä, joka oli asetettu määrätylle etäisyydelle kahden raon taakse. Diffraktioinnin jälkeen interferenssin yhdistämä valo tuottaa sarjan kirkkaita ja tummia reunoja pitkin näytön pituutta.

vaikka Youngin johtopäätökset olivat näennäisesti tärkeitä, niitä ei tuolloin hyväksytty laajalti, ennen kaikkea siksi, että hiukkasteoriaan uskottiin ylenpalttisesti. Sen lisäksi, että hänen havaintoja valon häiriöitä, Young oletettu, että valo eri värejä koostui aaltoja, joilla on eripituisia, peruskäsite, joka on laajalti hyväksytty tänään. Hiukkasteorian puolestapuhujat sen sijaan visioivat, että eri värit olisivat peräisin hiukkasista, joiden massat ovat erilaiset tai jotka kulkevat eri nopeuksilla.

häiriövaikutus ei rajoitu valoon. Aallot tuotettu pinnalla altaan tai lammen leviää kaikkiin suuntiin ja tehdään samanlaista käyttäytymistä. Siinä missä kaksi aaltoa kohtaa toisiaan, ne yhtyvät yhteen muodostaen suuremman aallon rakentavalla häiriöllä. Törmäilevät aallot, jotka eivät ole askeleessa, kumoavat toisensa tuhoisan häiriön kautta ja tuottavat veden pinnalle tasaista pintaa.

vielä enemmän todisteita valon aaltomaisesta luonteesta paljastui, kun ristikkäisten polarisaattoreiden välisen valonsäteen käyttäytymistä tutkittiin huolellisesti (Kuva 7). Polarisoivilla suodattimilla on ainutlaatuinen molekyylirakenne, jonka läpi pääsee vain valo, jolla on yksi suunta. Toisin sanoen polarisoijaa voidaan pitää erikoistuneena Molekyylisoihtuna, jolla on pieniä rivejä säleitä, jotka on suunnattu yhteen suuntaan polarisoivan materiaalin sisällä. Jos valonsäde saa törmätä polarisoijaan, polarisoivan suunnan suuntaiset valonsäteet voivat kulkea polarisaattorin läpi. Jos toinen polarisaattori on sijoitettu ensimmäisen taakse ja suuntautunut samaan suuntaan, ensimmäisen polarisaattorin läpi kulkeva valo kulkee myös toisen läpi.

kuitenkin jos toista polarisaattoria pyöritetään pienessä kulmassa, läpi kulkevan valon määrä vähenee. Kun toista polarisaattoria kierretään niin, että suunta on kohtisuorassa ensimmäisen polarisaattorin kanssa, niin mikään ensimmäisen polarisaattorin läpi kulkevasta valosta ei kulje toisen läpi. Tämä vaikutus on helposti selitettävissä aaltoteorialla, mutta mikään hiukkasteorian manipulaatio ei voi selittää sitä, miten toinen polarisaattori estää valon. Itse asiassa hiukkasteoria ei myöskään riitä selittämään interferenssiä ja diffraktiota, vaikutuksia, jotka myöhemmin havaittaisiin saman ilmiön ilmentymiksi.

polarisoituneella valolla havaitut vaikutukset olivat kriittisiä sen käsityksen kehittymiselle, että valo koostuu poikittaisista aalloista, joiden komponentit ovat kohtisuorassa etenemissuuntaan nähden. Jokaisella poikittaiskomponentilla on oltava tietty suuntaussuunta, jonka avulla se voi joko kulkea läpi tai polarisaattori estää sen. Vain ne aallot, joissa on polarisoivan suodattimen suuntainen poikittainen komponentti, läpäisevät, ja kaikki muut tukkeutuvat.

1800-luvun puoliväliin mennessä tutkijat olivat yhä vakuuttuneempia valon aaltomaisesta luonteesta, mutta jäljelle jäi yksi yliampuva ongelma. Mitä valo oikein on? Läpimurto tapahtui, kun englantilainen fyysikko James Clerk Maxwell havaitsi, että kaikki sähkömagneettisen säteilyn muodot edustavat jatkuvaa spektriä ja kulkevat tyhjiössä samalla nopeudella: 186 000 mailia sekunnissa. Maxwellin löytö naulasi tehokkaasti hiukkasteorian arkkuun, ja 1900-luvun kynnyksellä näytti siltä, että valon ja optisen teorian peruskysymyksiin oli vihdoin vastattu.

suuri isku aaltoteorialle tapahtui kulissien takana 1880-luvun lopulla, kun tutkijat havaitsivat ensi kerran, että valo saattoi tietyissä olosuhteissa irrottaa elektroneja useiden metallien atomeista (Kuva 8). Vaikka kyseessä oli aluksi vain omituinen ja selittämätön ilmiö, huomattiin nopeasti, että ultraviolettivalo saattoi vapauttaa elektronien atomit monenlaisissa metalleissa tuottamaan positiivisen sähkövarauksen. Saksalainen fyysikko Philipp Lenard kiinnostui näistä havainnoista, joita hän kutsui valosähköiseksi ilmiöksi. Lenard käytti Prismaa jakaakseen valkoisen valon komponenttiväreihinsä ja kohdisti sitten valikoivasti jokaisen värin metallilevylle karkottaakseen elektroneja.

Lenardin löytämä asia hämmensi ja hämmästytti häntä. Tietylle valon aallonpituudelle (esimerkiksi siniselle) elektronit tuottivat vakiopotentiaalin eli kiinteän määrän energiaa. Valon määrän vähentäminen tai lisääminen sai aikaan vastaavan vapautuneiden elektronien määrän kasvun tai vähenemisen, mutta jokainen säilytti silti saman energian. Toisin sanoen atomisidoksiltaan karkaavien elektronien energiat olivat riippuvaisia valon aallonpituudesta, eivät intensiteetistä. Tämä on vastoin sitä, mitä aaltoteoriasta voisi odottaa. Lenard löysi myös yhteyden aallonpituuden ja energian välillä: lyhyemmät aallonpituudet tuottivat elektroneja, joilla oli enemmän energiaa.

perusta valon ja atomien väliselle yhteydelle valui 1800-luvun alussa, kun William Hyde Wollaston havaitsi, että auringon spektri ei ollut jatkuva valokaista, vaan sisälsi satoja puuttuvia aallonpituuksia. Yli 500 puuttuvia aallonpituuksia vastaavaa kapeaa viivaa kartoitti saksalainen fyysikko Joseph von Fraunhofer, joka määritti kirjaimet suurimpiin aukkoihin. Myöhemmin huomattiin, että aukot syntyivät auringon uloimman kerroksen atomien absorptiosta tietyillä aallonpituuksilla. Nämä havainnot olivat ensimmäisiä atomien ja valon välisiä yhteyksiä, vaikka perustavaa vaikutusta ei tuolloin ymmärretty.

vuonna 1905 Albert Einstein esitti olettamuksen, että valolla saattaa itse asiassa olla joitakin hiukkasominaisuuksia, riippumatta siitä, onko aaltomaisen luonteen puolesta olemassa musertavia todisteita. Kehittäessään kvanttiteoriaansa Einstein esitti matemaattisesti, että metallissa atomeihin kiinnittyneet elektronit voivat absorboida tietyn määrän valoa (jota kutsuttiin ensin kvantiksi, mutta muutettiin myöhemmin fotoniksi) ja siten niillä on energiaa paeta. Hän myös spekuloi, että jos fotonin energia olisi kääntäen verrannollinen aallonpituuteen, lyhyemmät aallonpituudet tuottaisivat elektroneja, joilla on suurempi energia, mikä hypoteesi perustuu itse asiassa Lenardin tutkimustuloksiin.

Einsteinin teoria jähmettyi 1920-luvulla yhdysvaltalaisen fyysikon Arthur H. Compton osoitti, että fotoneilla on liikemäärä, joka on välttämätön edellytys sille teorialle, että aine ja energia ovat keskenään vaihdettavissa. Samoihin aikoihin ranskalainen tiedemies Louis-Victor de Broglie esitti, että kaikella aineella ja säteilyllä on ominaisuuksia, jotka muistuttavat sekä hiukkasta että aaltoa. De Broglie ekstrapoloi Max Planckin johdolla Einsteinin kuuluisan massaa ja energiaa koskevan kaavan sisältämään Planckin vakion:

missä E on hiukkasen energia, m massa, c on valonnopeus, h on Planckin vakio ja ν on taajuus. De Broglien teos, joka suhteuttaa aallon taajuuden hiukkasen energiaan ja massaan, oli keskeinen uuden kentän kehittämisessä, jota lopulta hyödynnettäisiin selittämään sekä valon aaltomaista että hiukkasmaista luonnetta. Kvanttimekaniikka syntyi Einsteinin, Planckin, de Broglien, Neils Bohrin, Erwin Schrödingerin ja muiden sellaisten tutkimuksista, jotka yrittivät selittää, miten sähkömagneettinen säteily voi näyttää sitä, mitä on nyt kutsuttu dualiteetiksi eli sekä hiukkasmaiseksi että aaltomaiseksi käyttäytymiseksi. Toisinaan valo käyttäytyy hiukkasena ja toisinaan aaltona. Tämä täydentävä, tai dual, rooli käyttäytymistä valon voidaan käyttää kuvaamaan kaikkia tunnettuja ominaisuuksia, jotka on havaittu kokeellisesti, vaihtelevat taittuminen, heijastus, häiriöitä, ja diffraktio, tuloksiin polarisoitua valoa ja valosähköinen vaikutus. Yhdessä valon ominaisuudet toimivat yhdessä ja antavat meille mahdollisuuden tarkkailla maailmankaikkeuden kauneutta.