빛:입자 또는 파동?

가시 광선의 정확한 특성은 수세기 동안 사람을 당황하게 한 신비입니다. 고대 피타고라스 학문의 그리스 과학자들은 눈에 보이는 모든 물체가 일정한 입자를 방출한다고 가정했으며 아리스토텔레스는 빛이 바다의 파도와 비슷한 방식으로 이동한다고 결론지었습니다. 이 아이디어들이 지난 20 세기 동안 수많은 수정과 상당한 진화를 겪었지만,그리스 철학자들에 의해 확립 된 분쟁의 본질은 오늘날까지 남아 있습니다.

한 가지 관점은 빛을 자연의 파도와 같은 것으로 상상하며,떨어 뜨린 바위에 의해 방해받은 후 여전히 연못의 표면을 가로 질러 퍼지는 잔물결과 유사한 방식으로 공간을 통과하는 에너지를 생성합니다. 반대 뷰는 빛이 많은 정원 호스 노즐에서 분사 물 작은 방울처럼,입자의 꾸준한 스트림으로 구성되어 보유하고있다. 지난 몇 세기 동안 의견의 합의는 일정 기간 동안 지배적 인 한 견해로 흔들려 왔으며,다른 견해에 대한 증거에 의해서만 뒤집혀졌습니다. 20 세기의 첫 수십 년 동안 만 포괄적 인 답을 제공 할 수있는 충분한 강력한 증거가 수집되었으며,놀랍게도 두 이론은 적어도 부분적으로 올바른 것으로 판명되었습니다.

18 세기 초,빛의 본질에 대한 논쟁은 과학 공동체를 그들이 좋아하는 이론의 타당성에 대해 격렬하게 싸운 분열 된 진영으로 바꿨다. 파동 이론에 가입 한 한 과학자 그룹은 네덜란드 크리스티안 호이겐스의 발견에 대한 그들의 주장을 중심으로했습니다. 반대 캠프는 빛이 입자의 샤워로 여행 증거로 아이작 뉴턴의 프리즘 실험을 인용,이 굴절 될 때까지 직선으로 각 진행,흡수,반사,회절 또는 다른 방식으로 방해. 비록 뉴턴 자신이 빛의 본질에 대한 그의 미립자 이론에 대해 의심을 품고있는 것처럼 보였지만,과학계에서의 그의 명성은 너무 많은 무게를 지녔기 때문에 그의 지지자들은 격렬한 전투 중에 다른 모든 증거를 무시했다.

빛의 파도와 같은 자연의 개념을 기반으로 빛의 굴절의 호이겐스’이론,어떤 물질에 빛의 속도는 굴절률에 반비례했다 개최했다. 즉,호이겐스는 더 많은 빛이 물질에 의해”구부러 지거나”굴절 될수록 그 물질을 가로 지르는 동안 더 느리게 움직일 것이라고 가정했습니다. 그의 추종자들은 빛이 입자의 흐름으로 구성되어 있다면 밀도가 높은 매체로 들어가는 빛이 매체의 분자에 의해 끌리고 속도가 감소하기보다는 증가를 경험하기 때문에 반대의 효과가 발생할 것이라고 결론지었습니다. 이 주장에 대한 완벽한 해결책은 예를 들어 다른 물질,공기 및 유리의 빛의 속도를 측정하는 것이지만,그 기간의 장치는 작업에 미치지 못했습니다. 빛은 통과한 물자에 관계 없이 동일한 속도로 움직이는 것처럼 보였다. 빛의 속도가 충분히 높은 정확도로 그 호이겐스 이론이 정확하다는 것을 증명하기 전에 150 년 이상 통과했다.

아이작 뉴턴의 명성에도 불구하고,1700 년대 초반의 저명한 과학자들은 그의 미립자 이론에 동의하지 않았다. 어떤 사람들은 빛이 입자로 구성되어 있다면 두 개의 빔이 교차 할 때 입자 중 일부가 서로 충돌하여 광선에 편차를 생성한다고 주장했습니다. 분명히,이것은 사실이 아닙니다,그래서 그들은 빛이 개별 입자로 구성되어서는 안된다고 결론지었습니다.

호이겐스는 그의 모든 직관에 대해 1690 년 논문에서 빛의 파도가 공기와 공간 전체에 보이지 않는 실체로 존재하는 신비한 무중력 물질 인 에테르에 의해 매개 된 공간을 통해 여행했다고 제안했다. 에테르에 대한 검색은 마침내 휴식을 취하기 전에 19 세기 동안 상당한 양의 자원을 소비했습니다. 에테르 이론은 적어도 1800 년대 후반까지 지속되었는데,찰스 휘트스톤의 제안된 모델은 에테르가 빛의 전파 방향에 수직인 각도로 진동함으로써 빛의 파동을 전달한다는 것을 보여 주었고,제임스 클러 크 맥스웰의 상세한 모델은 보이지 않는 물질의 구성을 묘사했다. 호이겐스는 에테르가 빛과 같은 방향으로 진동한다고 믿었고,빛의 파동을 수행하면서 파동 자체를 형성했다. 이후 볼륨,호이겐스’원리,그는 독창적으로 파도의 각 점은 파면을 형성하기 위해 함께 추가 자신의 웨이블릿을 생성 할 수있는 방법을 설명했다. 호이겐스는 굴절 현상에 대한 자세한 이론을 생산하기 위해이 아이디어를 사용하고,또한 그들이 경로를 교차 할 때 광선이 서로 충돌하지 않는 이유를 설명 할 수 있습니다.

광선이 서로 다른 굴절률을 갖는 두 매체 사이를 이동할 때 빔은 굴절을 겪고 첫 번째 매체에서 두 번째 매체로 통과 할 때 방향을 변경합니다. 광선이 파동 또는 입자로 구성되어 있는지 여부를 결정하기 위해 각 모델에 대한 모델을 고안하여 현상을 설명 할 수 있습니다(그림 3). 호이겐스의 파동 이론에 따르면,각 각진 파면의 작은 부분은 전면의 나머지 부분이 인터페이스에 도달하기 전에 두 번째 매체에 영향을 주어야합니다. 이 부분은 파동의 나머지 부분이 여전히 제 1 매질에서 이동하는 동안 제 2 매체를 통해 움직이기 시작할 것이지만,제 2 매체의 더 높은 굴절률로 인해 더 느리게 움직일 것이다. 파면은 이제 두 개의 서로 다른 속도로 이동하기 때문에,따라서 전파의 각도를 변경,두 번째 매체로 구부릴 것이다. 대조적으로,입자 이론은 빛의 입자가 한 매체에서 다른 매체로 통과 할 때 방향을 변경해야하는 이유를 설명하는 다소 어려운 시간을 가지고 있습니다. 이 이론의 지지자들은 계면에 수직으로 향하는 특별한 힘이 두 번째 매체에 들어갈 때 입자의 속도를 변화시키는 역할을한다고 제안합니다. 이 힘의 정확한 성격은 추측에 맡겨졌으며 이론을 증명할 증거는 수집 된 적이 없습니다.

두 이론의 또 다른 우수한 비교는 빛이 거울과 같은 부드럽고 반사 된 표면에서 반사 될 때 발생하는 차이를 포함합니다. 파동 이론은 광원이 모든 방향으로 퍼지는 광파를 방출한다고 추측합니다. 거울에 충격을 가하면 파도는 도착 각도에 따라 반사되지만 각 파도는 전면으로 돌아서 반전 된 이미지를 생성합니다(그림 4). 도착 파도의 모양은 광원이 거울에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 따라 크게 달라집니다. 가까운 근원에서 기인하는 빛은 아직도 둥근,높게 구부려진 파면을 유지하는 그러나,거리 근원에서 방출된 빛은 거의 평면 인 파면을 가진 더 많은 것을 퍼지고 거울에 충격을 가할 것입니다.

빛에 대한 입자 성질의 경우는 굴절보다 반사 현상과 관련하여 훨씬 강합니다. 근원에 의해 방출된 빛은,가까이 또는 멀리,멀리 튀거나 매끄러운 표면에서 반영되는 입자의 시내로 거울 표면에 도착한다. 입자가 매우 작기 때문에,거대한 숫자는 전파 광선에 관여하고,그들은 매우 가까이 나란히 여행. 거울에 충격을 가하면 입자가 다른 지점에서 튀어 나오므로 그림 4 에서 설명한 것처럼 반사시 광선의 순서가 반전되어 반전 된 이미지를 생성합니다. 입자와 파동 이론 모두 매끄러운 표면으로부터의 반사를 적절하게 설명합니다. 그러나 입자 이론은 또한 표면이 매우 거친 경우 입자가 다양한 각도로 튀어 나와 빛을 산란한다는 것을 암시합니다. 이 이론은 실험적 관찰에 매우 가깝습니다.

입자와 파도는 물체의 가장자리를 만나 그림자를 형성 할 때 다르게 행동해야합니다(그림 5). 뉴턴은 그의 1704 년 책 옵틱에서”빛은 구부러진 구절을 따르거나 그림자 속으로 구부러지는 것으로 결코 알려져 있지 않다”고 지적했습니다. 이 개념은 입자 이론과 일치하며,이는 가벼운 입자가 항상 직선으로 이동해야한다고 제안합니다. 입자가 장벽의 가장자리를 발생하는 경우 장벽에 의해 차단되지 입자가 직선으로 계속 가장자리 뒤에 확산 할 수 없기 때문에,그들은 그림자를 캐스팅 할 것이다. 거시적 규모에서,이 관찰은 거의 정확하지만 훨씬 작은 규모의 광 회절 실험에서 얻은 결과와 일치하지 않습니다.

빛이 좁은 슬릿을 통과하면 빔이 퍼지고 예상보다 넓어집니다. 이 근본적으로 중요한 관찰은 빛의 파동 이론에 상당한 신뢰성을 부여합니다. 물 속의 파도처럼,물체의 가장자리를 마주하는 빛의 파도는 가장자리 주위와 기하학적 그림자로 구부러져 보입니다.이 그림자는 광선에 의해 직접 조명되지 않는 영역입니다. 이 동작은 멀리 반사하는 대신 뗏목 끝을 감싸는 물 파도와 유사합니다.

뉴턴과 호이겐스가 그들의 이론을 제안한 지 거의 100 년 후,영국의 물리학 자 토마스 영은 빛의 파도와 같은 성질을 강력하게 지원하는 실험을 수행했습니다. 그는 빛이 파도로 구성되어 있다고 믿었 기 때문에 영은 두 개의 광파가 만났을 때 어떤 유형의 상호 작용이 일어날 것이라고 추론했습니다. 이 가설을 테스트하기 위해 그는 보통의 햇빛으로부터 일관된 광선(위상으로 전파되는 파동을 포함)을 생성하기 위해 하나의 좁은 슬릿을 포함하는 스크린을 사용했습니다. 태양 광선이 슬릿을 만날 때,그들은 밖으로 퍼지거나 단일 파면을 생성하기 위해 회절합니다. 이 전면이 두 개의 밀접하게 이격 된 슬릿을 갖는 두 번째 화면을 비추는 것이 허용되면 서로 완벽하게 단계적으로 일관된 빛의 두 가지 추가 소스가 생성됩니다(그림 6 참조). 두 슬릿 사이의 중간 지점으로 이동하는 각 슬릿의 빛은 완벽하게 단계적으로 도착해야합니다. 그 결과 파도가 훨씬 더 큰 파도를 생산하기 위해 서로를 강화해야한다. 그러나 중앙 점의 양쪽에있는 점이 고려되면 한 슬릿의 빛이 중앙 점의 반대쪽에있는 두 번째 점에 도달하기 위해 훨씬 더 멀리 이동해야합니다. 이 두 번째 지점에 가까운 슬릿에서 빛이 먼 슬릿에서 빛 전에 도착,그래서 두 파도는 서로 단계에서있을 것,어둠을 생산하기 위해 서로를 취소 할 수 있습니다.

그가 의심했듯이,영은 두 번째 슬릿 세트에서 광파가 확산(또는 회절)될 때 서로 만나 겹치는 것을 발견했다. 경우에 따라 중복 단계에서 정확 하 게 두 파도 결합 합니다. 그러나,다른 경우에,광파는 서로 단계 중 약간 또는 완전히 결합된다. 젊은 파도가 단계에서 만났을 때,그들은 건설적인 간섭이라고 할 온 과정에 의해 함께 추가 것을 발견했다. 단계에서 만나는 파도는 파괴적인 간섭으로 알려진 현상 인 서로를 상쇄 할 것입니다. 이 두 극단 사이에서 다양한 정도의 건설적이고 파괴적인 간섭이 발생하여 넓은 스펙트럼의 진폭을 갖는 파동을 생성합니다. 영은 두 개의 슬릿 뒤에 설정된 거리에 배치 된 화면에서 간섭의 영향을 관찰 할 수있었습니다. 회절 된 후,간섭에 의해 재결합 된 빛은 화면의 길이를 따라 일련의 밝고 어두운 변두리를 생성합니다.

겉으로는 중요하지만,영의 결론은 널리 주로 입자 이론에 압도적 인 믿음 때문에 시간에 받아 들여지지 않았다. 빛의 간섭에 대한 그의 관찰뿐만 아니라,젊은는 서로 다른 색상의 빛이 파도의 길이가 다른 데,널리 오늘날 받아 들여지는 기본 개념으로 구성되어 있다고 가정했다. 대조적으로,입자 이론 지지자들은 다양한 색상이 서로 다른 질량을 가지거나 다른 속도로 이동하는 입자에서 파생되었다고 상상했습니다.

간섭 효과는 빛에 국한되지 않습니다. 수영장이나 연못의 표면에서 생성 된 파도는 모든 방향으로 퍼지고 동일한 행동을 겪습니다. 두 파도가 단계에서 만나는 경우,그들은 건설적인 간섭에 의해 더 큰 파도를 만들기 위해 함께 추가 할 것입니다. 단계를 벗어난 충돌 파도는 파괴적인 간섭을 통해 서로를 취소하고 물 위의 평평한 표면을 생성합니다.

교차 편광판 사이의 광선의 거동을 면밀히 조사했을 때 빛의 파도와 같은 성질에 대한 더 많은 증거가 발견되었다(그림 7). 편광 필터는 단일 방향을 갖는 빛 만 통과 할 수있는 독특한 분자 구조를 가지고 있습니다. 즉,편광자는 편광 재료 내에서 단일 방향으로 배향되는 작은 칸막이 행을 갖는 특수한 유형의 분자 베네 치안 블라인드로 간주 될 수 있습니다. 광선이 편광자에 충격을 가하는 것을 허용하는 경우에,편광 방향에 평행한 배향된 광선만 편광자를 통과할 수 있습니다. 만약 제 2 편광판이 제 1 편광판 뒤에 위치되고 동일한 방향으로 배향된다면,제 1 편광판을 통과하는 광은 또한 제 2 편광판을 통과할 것이다.

그러나,제 2 편광자가 작은 각도로 회전하면,통과하는 빛의 양은 감소될 것이다. 제 2 편광자가 회전하여 방향이 제 1 편광자의 방향과 수직일 때,제 1 편광자를 통과하는 빛 중 어느 것도 제 2 편광자를 통과하지 못할 것이다. 이 효과는 파동 이론으로 쉽게 설명되지만 입자 이론을 조작하면 두 번째 편광판에 의해 빛이 어떻게 차단되는지 설명 할 수 없습니다. 사실,입자 이론은 또한 간섭과 회절,나중에 동일한 현상의 발현으로 발견 될 효과를 설명하기에 적합하지 않습니다.

편광으로 관찰된 효과는 빛이 전파 방향에 수직인 구성요소를 갖는 횡파로 구성된다는 개념의 발전에 매우 중요했다. 가로 구성 요소의 각 통과 하거나 편광 자에 의해 차단 될 수 있도록 특정 방향 방향을 가져야 합니다. 편광 필터와 평행 한 횡 방향 구성 요소를 가진 파동 만 통과 할 것이고 다른 모든 파동은 차단 될 것입니다.

1800 년대 중반까지 과학자들은 빛의 파도와 같은 성격을 점점 더 확신하고 있었지만 한 가지 위압적 인 문제가 남아있었습니다. 정확히 무엇이 빛인가? 186,000 마일 초당:이 전자기 방사선의 모든 형태의 연속 스펙트럼을 대표하고,같은 속도로 진공을 통해 여행 영어 물리학 자 제임스 클럭 맥스웰에 의해 발견되었을 때 돌파구가 만들어졌다. 맥스웰의 발견은 입자 이론의 관을 효과적으로 못 박았고,20 세기의 새벽까지 빛과 광학 이론의 기본적인 질문에 마침내 대답 한 것처럼 보였다.

1880 년대 후반에 과학자들이 특정 조건 하에서 빛이 여러 금속의 원자에서 전자를 제거 할 수 있다는 것을 처음 발견했을 때 파동 이론에 큰 타격이 발생했습니다(그림 8). 처음에는 호기심이 많고 설명 할 수없는 현상 이었지만 자외선이 다양한 금속에서 전자 원자를 완화시켜 양의 전기 전하를 생성 할 수 있다는 것이 빠르게 발견되었습니다. 독일의 물리학 자 필립 레나르트는 이러한 관찰에 관심을 갖게되어 광전 효과. 레나드는 프리즘을 사용하여 백색광을 구성 요소 색상으로 분할 한 다음 각 색상을 금속판에 선택적으로 집중시켜 전자를 방출했습니다.

레나드가 발견한 것은 그를 혼란스럽게 하고 깜짝 놀라게 했다. 특정 파장의 빛(예:파란색)에 대해 전자는 일정한 전위 또는 고정 된 양의 에너지를 생성했습니다. 빛의 양을 줄이거 나 늘리면 해방 된 전자의 수에 해당하는 증가 또는 감소가 발생했지만 각각은 여전히 동일한 에너지를 유지했습니다. 즉,원자 결합을 탈출하는 전자는 강도가 아니라 빛의 파장에 의존하는 에너지를 가졌습니다. 이것은 파동 이론에서 예상되는 것과 반대입니다. 레너드는 또한 파장과 에너지 사이의 연관성을 발견했다: 짧은 파장은 더 많은 양의 에너지를 가진 전자를 생성했습니다.

빛과 원자 사이의 연결의 기초는 1800 년대 초 윌리엄 하이드 울러스턴이 태양의 스펙트럼이 연속적인 빛의 띠가 아니라 수백 개의 누락 된 파장을 포함한다는 것을 발견했을 때 주조되었습니다. 누락 된 파장에 해당하는 500 개 이상의 좁은 선은 독일의 물리학 자 조셉 폰 프라운호퍼에 의해 매핑되었으며,그는 가장 큰 격차에 편지를 할당했습니다. 나중에,틈이 태양의 외부 층에 있는 원자에 의해 특정한 파장의 흡수에서 생성되었다는 것을 발견되었습니다. 이러한 관찰은 원자와 빛 사이의 첫 번째 연결 고리 중 일부 였지만 근본적인 영향은 당시에는 이해되지 않았습니다.

1905 년 알버트 아인슈타인은 파도와 같은 성질에 대한 압도적 인 증거에 관계없이 빛이 실제로 입자 특성을 가질 수 있다고 가정했습니다. 그의 양자 이론을 개발하면서 아인슈타인은 금속의 원자에 부착 된 전자가 특정 양의 빛(처음에는 양자라고 불리지 만 나중에는 광자로 변경됨)을 흡수하여 탈출 할 에너지를 가질 수 있다고 수학적으로 제안했습니다. 그는 또한 광자의 에너지가 파장에 반비례한다면,짧은 파장은 더 높은 에너지를 갖는 전자를 생성 할 것이라고 추측했다.이 가설은 레나드의 연구 결과에서 비롯된 것이다.

아인슈타인의 이론은 1920 년대에 미국의 물리학자 아서 에이치의 실험에 의해 굳어졌다. 콤프 턴은 광자가 운동량을 가지고 있음을 보여 주었고,물질과 에너지가 상호 교환 가능하다는 이론을 뒷받침하는 데 필요한 필수 요소입니다. 같은시기에 프랑스 과학자 루이 빅터 드 브로이는 모든 물질과 방사선이 입자와 파동을 모두 닮은 특성을 가지고 있다고 제안했습니다. 막스 플랑크의 리드에 이어 아인슈타인의 질량과 에너지와 관련된 유명한 공식을 추정하여 플랑크의 상수를 포함시켰다.