fény: részecske vagy hullám?

a látható fény pontos természete olyan rejtély, amely évszázadok óta zavarba ejtette az embert. Az ókori Pitagoraszi tudományág görög tudósai azt feltételezték, hogy minden látható tárgy egyenletes részecskeáramot bocsát ki, míg Arisztotelész arra a következtetésre jutott, hogy a fény az óceán hullámaihoz hasonló módon halad. Annak ellenére, hogy ezek az elképzelések számos módosításon és jelentős mértékű fejlődésen mentek keresztül az elmúlt 20 évszázadban, a görög filozófusok által létrehozott vita lényege a mai napig fennmarad.

az egyik nézőpont a fényt hullámszerűnek képzeli el a természetben, olyan energiát termel, amely az űrben olyan módon halad át, mint a még mindig tó felszínén terjedő hullámok, miután egy leesett szikla megzavarta őket. Az ellentétes nézet szerint a fény állandó részecskékből áll, hasonlóan a kerti tömlőfúvókából permetezett apró vízcseppekhez. Az elmúlt néhány évszázadban, a vélemény konszenzusa megingott az egyik nézetben, amely egy ideig uralkodott, csak a másik bizonyítékai cáfolják meg. Csak a 20. század első évtizedeiben volt elegendő meggyőző bizonyíték ahhoz, hogy átfogó választ adjon, és mindenki meglepetésére mindkét elmélet helyesnek bizonyult, legalábbis részben.

a tizennyolcadik század elején a fény természetéről szóló érvelés a tudományos közösséget megosztott táborokká változtatta, amelyek erőteljesen harcoltak kedvenc elméleteik érvényességéért. A tudósok egy csoportja, akik feliratkoztak a hullámelméletre, érveiket a Holland Christiaan Huygens felfedezéseire összpontosították. A szembenálló tábor Sir Isaac Newton prizmakísérleteit Idézte annak bizonyítékaként, hogy a fény részecskék záporaként haladt, mindegyik egyenes vonalban haladt, amíg meg nem tört, elnyelt, visszavert, diffrakciós vagy más módon meg nem zavart. Bár úgy tűnt, hogy Newtonnak kétségei vannak a fény természetéről szóló korpuszkuláris elméletével kapcsolatban, tekintélye a tudományos közösségben annyira súlyos volt, hogy szószólói vad csatáik során figyelmen kívül hagytak minden más bizonyítékot.

Huygens fénytörési elmélete, amely a fény hullámszerű természetének koncepcióján alapult, úgy vélte, hogy bármely anyag fénysebessége fordítottan arányos a törésmutatójával. Más szavakkal, Huygens azt feltételezte, hogy minél több fényt “hajlít” vagy tör meg egy anyag, annál lassabban mozog, miközben áthalad az anyagon. Követői arra a következtetésre jutottak, hogy ha a fény részecskék áramából állna, akkor az ellenkező hatás lépne fel, mert a sűrűbb közegbe belépő fényt a közegben lévő molekulák vonzanák, és a sebesség növekedését, nem pedig csökkenését tapasztalnák. Bár a tökéletes megoldás erre az érvre a fénysebesség mérése lenne különböző anyagokban, például a levegőben és az üvegben, a korszak eszközei nem voltak alkalmasak a feladatra. Úgy tűnt, hogy a fény ugyanolyan sebességgel mozog, függetlenül az anyagtól, amelyen áthaladt. Több mint 150 év telt el, mire a fénysebességet elég nagy pontossággal meg lehetett mérni annak bizonyítására, hogy a Huygens-elmélet helyes volt.

Sir Isaac Newton nagyra becsült hírneve ellenére az 1700-as évek elején számos prominens tudós nem értett egyet korpuszkuláris elméletével. Egyesek azzal érveltek, hogy ha a fény részecskékből áll, akkor két sugár keresztezésekor a részecskék egy része ütközik egymással, hogy eltérést okozzon a fénysugarakban. Nyilvánvaló, hogy ez nem így van, ezért arra a következtetésre jutottak, hogy a fény nem állhat egyedi részecskékből.

Huygens, minden intuíciója ellenére, 1690-es értekezésében azt javasolta, hogy a fényhullámok az éter által közvetített térben utazzanak, egy misztikus súlytalan anyag, amely láthatatlan entitásként létezik a levegőben és a térben. Az éter keresése jelentős mennyiségű erőforrást emésztett fel a tizenkilencedik század folyamán, mielőtt végül nyugalomba helyezték. Az éter-elmélet legalább az 1800-as évek végéig tartott, amint azt Charles Wheatstone javasolt modellje bizonyítja, amely bizonyítja, hogy az éter fényhullámokat hordoz a fény terjedésének irányára merőleges rezgéssel, és James Clerk Maxwell részletes modelljei, amelyek leírják a láthatatlan anyag felépítését. Huygens úgy vélte, hogy az éter ugyanabban az irányban rezeg, mint a fény, és maga is hullámot képez, amikor a fényhullámokat hordozza. Egy későbbi kötetben Huygens elve, zseniálisan leírta, hogy a hullám minden pontja hogyan hozhatja létre saját hullámait, amelyek aztán összeadódnak, hogy hullámfrontot képezzenek. Huygens ezt az elképzelést alkalmazta a refrakciós jelenség részletes elméletének elkészítésére, valamint annak megmagyarázására, hogy a fénysugarak miért nem ütköznek egymásba, amikor keresztezik egymást.

amikor egy fénysugár két különböző törésmutatóval rendelkező közeg között halad, a fénysugár refrakción megy keresztül, és megváltoztatja az irányt, amikor az első közegből a másodikba halad. Annak megállapításához, hogy a fénysugár hullámokból vagy részecskékből áll-e, mindegyikhez modellt lehet kidolgozni a jelenség magyarázatára (3.ábra). Huygens hullámelmélete szerint minden szögletes hullámfront kis részének hatással kell lennie a második közegre, mielőtt az elülső rész többi része eléri az interfészt. Ez a rész elkezd mozogni a második közegben, miközben a hullám többi része még mindig az első közegben halad, de lassabban mozog a második közeg magasabb törésmutatója miatt. Mivel a hullámfront most két különböző sebességgel halad, a második közegbe hajlik, megváltoztatva ezzel a terjedési szöget. Ezzel szemben a részecskeelméletnek meglehetősen nehéz ideje megmagyarázni, hogy a fényrészecskéknek miért kell irányt változtatniuk, amikor az egyik közegből a másikba haladnak. Az elmélet támogatói azt sugallják, hogy egy speciális erő, amely az interfészre merőlegesen irányul, megváltoztatja a részecskék sebességét, amikor belépnek a második közegbe. Ennek az erőnek a pontos természetét spekulációkra bízták, és soha nem gyűjtöttek bizonyítékot az elmélet bizonyítására.

a két elmélet másik kiváló összehasonlítása magában foglalja azokat a különbségeket, amelyek akkor fordulnak elő, amikor a fény visszaverődik egy sima, tükrös felületről, például egy tükörről. A hullámelmélet azt feltételezi, hogy egy fényforrás minden irányba terjedő fényhullámokat bocsát ki. A tükör becsapódásakor a hullámok az érkezési szögek szerint tükröződnek, de minden egyes hullám visszafordulva fordított képet eredményez (4.ábra). Az érkező hullámok alakja erősen függ attól, hogy a fényforrás milyen messze van a tükörtől. A közeli forrásból származó fény továbbra is gömb alakú, erősen ívelt hullámfrontot tart fenn, míg a távolsági forrásból kibocsátott fény jobban elterjed, és szinte sík hullámfrontokkal hat a tükörre.

a fény részecske természetének esete sokkal erősebb a reflexiós jelenség szempontjából, mint a refrakció esetében. A forrás által kibocsátott fény, akár közel, akár távol, részecskék áramaként érkezik a tükör felületére, amelyek visszapattannak vagy visszaverődnek a sima felületről. Mivel a részecskék nagyon aprók, hatalmas számban vesznek részt egy terjedő fénysugárban, ahol nagyon közel haladnak egymás mellett. A tükörre hatva a részecskék különböző pontokról ugrálnak, így a fénysugár sorrendje visszaverődéskor megfordul, hogy fordított képet kapjon, amint azt a 4.ábra mutatja. Mind a részecske -, mind a hullámelméletek megfelelően magyarázzák a sima felületről való visszaverődést. A részecskeelmélet azonban azt is sugallja, hogy ha a felület nagyon durva, akkor a részecskék különféle szögben visszapattannak, szétszórva a fényt. Ez az elmélet nagyon szorosan illeszkedik a kísérleti megfigyeléshez.

a részecskéknek és a hullámoknak is másképp kell viselkedniük, amikor egy tárgy szélével találkoznak, és árnyékot képeznek (5.ábra). Newton gyorsan rámutatott 1704-es könyvében Opticks, hogy”a fényről soha nem ismert, hogy görbe átjárókat követne, vagy az árnyékba hajolna”. Ez a koncepció összhangban van a részecskeelmélettel, amely azt javasolja, hogy a könnyű részecskéknek mindig egyenes vonalban kell haladniuk. Ha a részecskék egy gát szélével találkoznak, akkor árnyékot vetnek, mert a gát által nem blokkolt részecskék egyenes vonalban folytatódnak, és nem tudnak szétterjedni az él mögött. Makroszkopikus skálán ez a megfigyelés szinte helyes, de nem ért egyet a fénydiffrakciós kísérletek sokkal kisebb léptékű eredményeivel.

amikor a fény áthalad egy keskeny résen, a sugár elterjed és a vártnál szélesebb lesz. Ez az alapvetően fontos megfigyelés jelentős hitelességet kölcsönöz a fény hullámelméletének. Mint a hullámok a vízben, a fényhullámok, amelyek egy tárgy szélével találkoznak, úgy tűnik, hogy a széle körül hajlanak annak geometriai árnyékába, amely egy olyan régió, amelyet a fénysugár nem világít meg közvetlenül. Ez a viselkedés analóg a vízhullámokkal, amelyek a tutaj végét körbeveszik, ahelyett, hogy visszaverődnének.

majdnem száz évvel azután, hogy Newton és Huygens előterjesztette elméletét, egy Thomas Young nevű angol fizikus kísérletet végzett, amely erősen támogatta a fény hullámszerű természetét. Mivel úgy vélte, hogy a fény hullámokból áll, Young úgy vélte, hogy valamilyen típusú kölcsönhatás lép fel, amikor két fényhullám találkozik. Ennek a hipotézisnek a teszteléséhez egyetlen, keskeny rést tartalmazó képernyőt használt, hogy koherens fénysugarat hozzon létre (amely fázisban terjedő hullámokat tartalmaz) a közönséges napfénytől. Amikor a nap sugarai találkoznak a réssel, szétterülnek vagy diffraktálnak, hogy egyetlen hullámfrontot hozzanak létre. Ha hagyjuk, hogy ez az elülső rész megvilágítson egy második képernyőt, amelynek két szorosan elhelyezett rése van, akkor két további koherens fényforrás keletkezik, tökéletesen egymással lépésben (lásd a 6.ábrát). Az egyes résekből származó fénynek, amely a két rés között félúton egyetlen pontig halad, tökéletesen meg kell érkeznie lépésben. A kapott hullámoknak meg kell erősíteniük egymást, hogy sokkal nagyobb hullámot hozzanak létre. Ha azonban a központi pont mindkét oldalán egy pontot veszünk figyelembe, akkor az egyik résből származó fénynek sokkal messzebbre kell haladnia, hogy elérje a második pontot a központi pont másik oldalán. A második ponthoz közelebb lévő résből érkező fény előbb érkezik, mint a távoli résből érkező fény, így a két hullám nem lépne lépést egymással, és megsemmisíthetné egymást, hogy sötétséget hozzon létre.

ahogy gyanította, Young felfedezte, hogy amikor a fényhullámok a második sor rések vannak terítve (vagy diffrakciós), találkoznak egymással, és átfedik egymást. Bizonyos esetekben az átfedés pontosan lépésben egyesíti a két hullámot. Más esetekben azonban a fényhullámok kissé vagy teljesen össze vannak kapcsolva egymással. Young úgy találta, hogy amikor a hullámok lépésről lépésre találkoztak, egy olyan folyamat egészítette ki őket, amelyet konstruktív interferenciának neveztek. A lépésen kívül találkozó hullámok kioltják egymást, ezt a jelenséget destruktív interferenciának nevezik. E két szélsőség között különböző fokú konstruktív és destruktív interferencia lép fel, hogy széles amplitúdójú hullámokat hozzon létre. Young képes volt megfigyelni az interferencia hatásait egy képernyőn, amelyet a két rés mögött meghatározott távolságra helyeztek el. A diffrakció után az interferencia által rekombinált fény egy sor fényes és sötét rojtot hoz létre a képernyő hosszában.

bár látszólag fontos, Young következtetéseit akkoriban nem fogadták el széles körben, elsősorban a részecskeelméletbe vetett elsöprő hit miatt. A fényinterferenciával kapcsolatos megfigyelései mellett Young azt feltételezte, hogy a különböző színű fény különböző hosszúságú hullámokból áll, ez egy alapvető fogalom, amelyet ma széles körben elfogadnak. Ezzel szemben a részecskeelmélet szószólói elképzelték, hogy a különböző színek különböző tömegű vagy különböző sebességgel haladó részecskékből származnak.

az interferencia hatása nem korlátozódik a fényre. A medence vagy a tó felszínén keletkező hullámok minden irányban elterjednek és azonos viselkedésen mennek keresztül. Ahol két hullám találkozik lépésben, összeadódnak, hogy konstruktív interferenciával nagyobb hullámot hozzanak létre. Az ütköző hullámok, amelyek nem lépnek fel, megsemmisítik egymást pusztító interferencia útján, és vízszintes felületet hoznak létre a vízen.

még több bizonyítékot tártak fel a fény hullámszerű jellegére, amikor a keresztezett polarizátorok közötti fénysugár viselkedését gondosan megvizsgálták (7.ábra). A polarizáló szűrők egyedülálló molekuláris szerkezettel rendelkeznek, amely csak egyetlen tájolású fényt enged át. Más szavakkal, a polarizátor a molekuláris redőny speciális típusának tekinthető, amelynek apró lécsorai vannak, amelyek a polarizáló anyagon belül egyetlen irányba vannak orientálva. Ha egy fénysugár hatással van egy polarizátorra, akkor csak a polarizációs iránysal párhuzamosan orientált fénysugarak képesek áthaladni a polarizátoron. Ha egy második polarizátor az első mögött helyezkedik el, és ugyanabba az irányba orientálódik, akkor az első polarizátoron áthaladó fény a másodikon is áthalad.

Ha azonban a második polarizátort kis szögben forgatjuk, az áthaladó fény mennyisége csökken. Ha a második polarizátort úgy forgatjuk, hogy a tájolás merőleges legyen az első polarizátor tájolására, akkor az első polarizátoron áthaladó fény egyike sem halad át a másodikon. Ez a hatás könnyen magyarázható a hullámelmélettel, de a részecskeelmélet egyetlen manipulációja sem magyarázhatja meg, hogy a második polarizátor hogyan blokkolja a fényt. Valójában a részecskeelmélet sem megfelelő az interferencia és a diffrakció magyarázatára, olyan hatásokra, amelyekről később kiderül, hogy ugyanannak a jelenségnek a megnyilvánulásai.

a polarizált fénnyel megfigyelt hatások kritikusak voltak annak a koncepciónak a kidolgozása szempontjából, hogy a fény keresztirányú hullámokból áll, amelyek komponensei merőlegesek a terjedési irányra. A keresztirányú alkatrészek mindegyikének rendelkeznie kell egy meghatározott orientációs iránymal, amely lehetővé teszi, hogy vagy áthaladjon, vagy egy polarizátor blokkolja. Csak a polarizáló szűrővel párhuzamos keresztirányú komponensű hullámok haladnak át, az összes többi pedig blokkolva lesz.

az 1800-as évek közepére a tudósok egyre inkább meggyőződtek a fény hullámszerű jellegéről, de maradt egy fölényes probléma. Pontosan mi a fény? Az áttörés akkor történt, amikor James Clerk Maxwell angol fizikus felfedezte, hogy az elektromágneses sugárzás minden formája folyamatos spektrumot képvisel, és vákuumban halad át ugyanolyan sebességgel: 186 000 mérföld / másodperc. Maxwell felfedezése hatékonyan szögezte le a részecskeelmélet koporsóját, és a 20.század hajnalán úgy tűnt, hogy a fény és az optikai elmélet alapvető kérdéseire végre választ kaptak.

a hullámelmélet jelentős csapása a színfalak mögött történt az 1880-as évek végén, amikor a tudósok először fedezték fel, hogy bizonyos körülmények között a fény számos fém atomjából kiszoríthatja az elektronokat (8.ábra). Bár először csak egy furcsa és megmagyarázhatatlan jelenség volt, gyorsan felfedezték, hogy az ultraibolya fény számos fémben képes enyhíteni az elektronok atomjait, hogy pozitív elektromos töltést hozzon létre. Philipp Lenard német fizikus érdeklődött ezek iránt a megfigyelések iránt, amelyeket fotoelektromos hatásnak nevezett. Lenard prizmával osztotta fel a fehér fényt komponens színeire, majd szelektíven fókuszálta az egyes színeket egy fémlemezre az elektronok kiszorítására.

amit Lenard felfedezett, összezavarodott és lenyűgözte. A fény meghatározott hullámhosszára (például kék) az elektronok állandó potenciált vagy rögzített mennyiségű energiát produkáltak. A fény mennyiségének csökkentése vagy növelése a felszabadult elektronok számának megfelelő növekedését vagy csökkenését eredményezte, de mindegyik továbbra is ugyanazt az energiát tartotta fenn. Más szavakkal, az atomkötéseikből kiszabaduló elektronok energiái a fény hullámhosszától, nem pedig az intenzitástól függtek. Ez ellentétes azzal, amit a hullámelméletből várnánk. Lenard kapcsolatot talált a hullámhossz és az energia között: a rövidebb hullámhosszak nagyobb energiájú elektronokat eredményeztek.

a fény és az atomok közötti kapcsolat alapjait az 1800-as évek elején vetették le, amikor William Hyde Wollaston felfedezte, hogy a nap spektruma nem folytonos fénysáv, hanem több száz hiányzó hullámhosszt tartalmaz. Joseph von Fraunhofer német fizikus több mint 500, a hiányzó hullámhossznak megfelelő keskeny vonalat térképezett fel, akik betűket rendeltek a legnagyobb résekhez. Később kiderült, hogy a réseket a nap külső rétegében lévő atomok specifikus hullámhosszainak abszorpciójából hozták létre. Ezek a megfigyelések voltak az atomok és a fény közötti első kapcsolatok, bár az alapvető hatást akkor még nem értették.

1905-ben Albert Einstein feltételezte, hogy a fénynek valóban lehetnek részecskejellemzői, függetlenül a hullámszerű természet elsöprő bizonyítékaitól. Kvantumelméletének kidolgozásakor Einstein matematikailag azt javasolta, hogy a fém atomjaihoz kapcsolódó elektronok bizonyos mennyiségű fényt képesek elnyelni (először kvantumnak nevezték, de később fotonná változtatták), és így rendelkeznek energiával a meneküléshez. Azt is feltételezte, hogy ha egy foton energiája fordítottan arányos a hullámhosszal, akkor a rövidebb hullámhosszak nagyobb energiájú elektronokat eredményeznek, ezt a hipotézist valójában Lenard kutatásainak eredményei támasztják alá.

Einstein elméletét az 1920-as években megszilárdította Arthur H. amerikai fizikus kísérletei. Compton, aki bebizonyította, hogy a fotonoknak lendületük van, ami szükséges ahhoz, hogy alátámassza azt az elméletet, miszerint az anyag és az energia felcserélhetők. Ugyanebben az időben Louis-Victor de Broglie francia tudós azt javasolta, hogy minden anyagnak és sugárzásnak olyan tulajdonságai vannak, amelyek hasonlítanak mind a részecskére, mind a hullámra. De Broglie Max Planck példáját követve extrapolálta Einstein híres tömeg-és energiakép-képletét Planck-állandóra:

ahol E a részecske energiája, m a tömege, c a fénysebesség, h a Planck-állandó és a frekvencia. De Broglie munkája, amely a hullám frekvenciáját egy részecske energiájához és tömegéhez kapcsolja, alapvető fontosságú volt egy új mező kifejlesztésében, amelyet végül a fény hullámszerű és részecskeszerű természetének magyarázatára használnak. A kvantummechanika Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr, Erwin Schr és mások kutatásából született, akik megpróbálták megmagyarázni, hogy az elektromágneses sugárzás hogyan képes megjeleníteni azt, amit ma dualitásnak, vagy részecske-és hullámszerű viselkedésnek neveznek. Néha a fény részecskeként viselkedik, máskor pedig hullámként. A fény viselkedésének ez a kiegészítő vagy kettős szerepe alkalmazható a kísérletileg megfigyelt összes ismert jellemző leírására, a fénytöréstől, a visszaverődéstől, az interferenciától és a diffrakciótól kezdve a polarizált fény és a fotoelektromos hatás eredményéig. A fény tulajdonságai együttesen működnek együtt, és lehetővé teszik számunkra, hogy megfigyeljük az univerzum szépségét.