lumina: particula sau un val?

natura exactă a luminii vizibile este un mister care l-a nedumerit pe om de secole. Oamenii de știință greci din vechea disciplină Pitagorică au postulat că fiecare obiect vizibil emite un flux constant de particule, în timp ce Aristotel a concluzionat că lumina călătorește într-un mod similar cu valurile din ocean. Chiar dacă aceste idei au suferit numeroase modificări și un grad semnificativ de evoluție în ultimele 20 de secole, esența disputei stabilite de filosofii greci rămâne până în prezent.

un punct de vedere prevede lumina ca o undă în natură, producând energie care traversează spațiul într-un mod similar cu undele care se răspândesc pe suprafața unui iaz liniștit după ce au fost deranjate de o piatră căzută. Viziunea opusă susține că lumina este compusă dintr-un flux constant de particule, la fel ca picăturile mici de apă pulverizate dintr-o duză de furtun de grădină. În ultimele secole, consensul opiniei a oscilat, o viziune predominând pentru o perioadă de timp, doar pentru a fi răsturnată de dovezi pentru cealaltă. Numai în primele decenii ale secolului 20 au fost colectate suficiente dovezi convingătoare pentru a oferi un răspuns cuprinzător și, spre surprinderea tuturor, ambele teorii s-au dovedit a fi corecte, cel puțin parțial.

la începutul secolului al XVIII-lea, argumentul despre natura luminii a transformat comunitatea științifică în tabere divizate care au luptat energic pentru validitatea teoriilor lor preferate. Un grup de oameni de știință, care au subscris la teoria valurilor, și-au centrat argumentele asupra descoperirilor olandezului Christiaan Huygens. Tabăra adversă a citat experimentele prismei lui Sir Isaac Newton ca dovadă că lumina a călătorit ca un duș de particule, fiecare procedând în linie dreaptă până când a fost refractată, absorbită, reflectată, difractată sau perturbată într-un alt mod. Deși Newton însuși părea să aibă unele îndoieli cu privire la teoria sa corpusculară asupra naturii luminii, prestigiul său în comunitatea științifică a avut o pondere atât de mare încât avocații săi au ignorat toate celelalte dovezi în timpul luptelor lor feroce.

teoria refracției luminii a lui Huygens, bazată pe conceptul naturii luminii asemănătoare undelor, susținea că viteza luminii în orice substanță era invers proporțională cu indicele său de refracție. Cu alte cuvinte, Huygens a postulat că cu cât mai multă lumină a fost „îndoită” sau refractată de o substanță, cu atât mai lent s-ar mișca în timp ce traversa acea substanță. Adepții săi au concluzionat că, dacă lumina ar fi compusă dintr-un flux de particule, atunci efectul opus ar apărea deoarece lumina care intră într-un mediu mai dens ar fi atrasă de moleculele din mediu și ar experimenta o creștere, mai degrabă decât o scădere, a vitezei. Deși soluția perfectă la acest argument ar fi măsurarea vitezei luminii în diferite substanțe, aer și sticlă, de exemplu, dispozitivele perioadei nu au fost la înălțimea sarcinii. Lumina părea să se miște cu aceeași viteză, indiferent de materialul prin care trecea. Au trecut peste 150 de ani înainte ca viteza luminii să poată fi măsurată cu o precizie suficient de mare pentru a dovedi că teoria Huygens era corectă.

în ciuda reputației foarte apreciate a lui Sir Isaac Newton, un număr de oameni de știință proeminenți de la începutul anilor 1700 nu au fost de acord cu teoria sa corpusculară. Unii au susținut că, dacă lumina ar consta din particule, atunci când două fascicule sunt încrucișate, unele dintre particule s-ar ciocni între ele pentru a produce o abatere în fasciculele de lumină. Evident, acest lucru nu este cazul, așa că au ajuns la concluzia că lumina nu trebuie să fie compusă din particule individuale.

Huygens, pentru toată intuiția sa, sugerase în tratatul său din 1690 trait de la lumi Otrivre că undele luminoase călătoreau prin spațiu mediate de eter, o substanță mistică fără greutate, care există ca o entitate invizibilă în aer și spațiu. Căutarea eterului a consumat o cantitate semnificativă de resurse în secolul al XIX-lea, înainte de a fi în cele din urmă pusă la odihnă. Teoria eterului a durat cel puțin până la sfârșitul anilor 1800, după cum demonstrează modelul propus de Charles Wheatstone care demonstrează că eterul transporta unde luminoase vibrând la un unghi perpendicular pe direcția propagării luminii și James Clerk Maxwellmodelele detaliate care descriu construcția substanței invizibile. Huygens credea că eterul vibra în aceeași direcție cu lumina și forma o undă în sine în timp ce transporta undele luminoase. Într-un volum ulterior, principiul lui Huygens, el a descris ingenios modul în care fiecare punct de pe o undă ar putea produce propriile sale valuri, care apoi se adaugă împreună pentru a forma un front de undă. Huygens a folosit această idee pentru a produce o teorie detaliată a fenomenului de refracție și, de asemenea, pentru a explica de ce razele de lumină nu se prăbușesc una în cealaltă atunci când se intersectează.

când un fascicul de lumină se deplasează între două medii cu indici de refracție diferiți, fasciculul suferă refracție și își schimbă direcția atunci când trece de la primul mediu la cel de-al doilea. Pentru a determina dacă fasciculul de lumină este compus din Unde sau particule, un model pentru fiecare poate fi conceput pentru a explica fenomenul (Figura 3). Conform teoriei undelor lui Huygens, o mică parte din fiecare front de undă unghiular ar trebui să aibă impact asupra celui de-al doilea mediu înainte ca restul frontului să ajungă la interfață. Această porțiune va începe să se deplaseze prin al doilea mediu, în timp ce restul undei se deplasează încă în primul mediu, dar se va deplasa mai lent datorită indicelui de refracție mai mare al celui de-al doilea mediu. Deoarece frontul de undă se deplasează acum la două viteze diferite, se va îndoi în al doilea mediu, schimbând astfel unghiul de propagare. În schimb, teoria particulelor are un timp destul de dificil de explicat de ce particulele de lumină ar trebui să schimbe direcția atunci când trec de la un mediu la altul. Susținătorii teoriei sugerează că o forță specială, îndreptată perpendicular pe interfață, acționează pentru a schimba viteza particulelor pe măsură ce intră în al doilea mediu. Natura exactă a acestei forțe a fost lăsată la speculații și nu s-au colectat vreodată dovezi care să dovedească teoria.

o altă comparație excelentă a celor două teorii implică diferențele care apar atunci când lumina este reflectată de pe o suprafață netedă, speculară, cum ar fi o oglindă. Teoria undelor speculează că o sursă de lumină emite unde de lumină care se răspândesc în toate direcțiile. La impactul unei oglinzi, undele sunt reflectate în funcție de unghiurile de sosire, dar cu fiecare undă întoarsă înapoi în față pentru a produce o imagine inversată (Figura 4). Forma undelor care sosesc depinde puternic de cât de departe este sursa de lumină de oglindă. Lumina provenită dintr-o sursă apropiată menține în continuare un front de undă sferic, foarte curbat, în timp ce lumina emisă de o sursă de distanță se va răspândi mai mult și va afecta oglinda cu fronturi de undă care sunt aproape plane.

cazul pentru o natură a particulelor pentru lumină este mult mai puternic în ceea ce privește fenomenul de reflecție decât este pentru refracție. Lumina emisă de o sursă, aproape sau departe, ajunge la suprafața oglinzii ca un flux de particule, care se îndepărtează sau se reflectă de pe suprafața netedă. Deoarece particulele sunt foarte mici, un număr foarte mare sunt implicate într-un fascicul de lumină care se propagă, unde călătoresc unul lângă altul foarte aproape. La impactul oglinzii, particulele sar din diferite puncte, astfel încât ordinea lor în fasciculul de lumină este inversată la reflecție pentru a produce o imagine inversată, așa cum se demonstrează în Figura 4. Atât teoria particulelor, cât și cea a undelor explică în mod adecvat reflexia de pe o suprafață netedă. Cu toate acestea, teoria particulelor sugerează, de asemenea, că, dacă suprafața este foarte aspră, particulele sări departe într-o varietate de unghiuri, împrăștiind lumina. Această teorie se potrivește foarte bine observației experimentale.

particulele și undele ar trebui, de asemenea, să se comporte diferit atunci când întâlnesc marginea unui obiect și formează o umbră (Figura 5). Newton s-a grăbit să sublinieze în cartea sa din 1704 Opticks, că „lumina nu se știe niciodată să urmeze pasaje strâmbe și nici să se aplece în umbră”. Acest concept este în concordanță cu teoria particulelor, care propune că particulele de lumină trebuie să călătorească întotdeauna în linii drepte. Dacă particulele întâlnesc marginea unei bariere, atunci vor arunca o umbră, deoarece particulele care nu sunt blocate de barieră continuă în linie dreaptă și nu se pot întinde în spatele marginii. La scară macroscopică, această observație este aproape corectă, dar nu este de acord cu rezultatele obținute din experimentele de difracție a luminii la o scară mult mai mică.

când lumina este trecută printr-o fantă îngustă, fasciculul se răspândește și devine mai larg decât se aștepta. Această observație fundamental importantă conferă o cantitate semnificativă de credibilitate teoriei undelor luminii. La fel ca valurile din apă, undele luminoase care întâlnesc marginea unui obiect par să se îndoaie în jurul marginii și în umbra sa geometrică, care este o regiune care nu este iluminată direct de fasciculul de lumină. Acest comportament este analog valurilor de apă care se înfășoară în jurul capătului unei plute, în loc să se reflecte.

la aproape o sută de ani după ce Newton și Huygens și-au propus teoriile, un fizician englez pe nume Thomas Young a efectuat un experiment care a susținut puternic natura luminii asemănătoare undelor. Deoarece credea că lumina este compusă din valuri, Young a motivat că un anumit tip de interacțiune va avea loc atunci când două unde de lumină se vor întâlni. Pentru a testa această ipoteză, el a folosit un ecran care conține o singură fantă îngustă pentru a produce un fascicul de lumină coerent (care conține unde care se propagă în fază) din lumina soarelui obișnuită. Când razele soarelui întâlnesc fanta, ele se răspândesc sau difractează pentru a produce un singur front de undă. Dacă acest front este permis să lumineze un al doilea ecran având două fante strâns distanțate, sunt produse două surse suplimentare de lumină coerentă, perfect în pas între ele (a se vedea Figura 6). Lumina de la fiecare fantă care călătorește într-un singur punct la jumătatea distanței dintre cele două fante ar trebui să ajungă perfect în pas. Valurile rezultate ar trebui să se întărească reciproc pentru a produce un val mult mai mare. Cu toate acestea, dacă se ia în considerare un punct de pe ambele părți ale punctului central, atunci lumina dintr-o fantă trebuie să călătorească mult mai departe pentru a ajunge la un al doilea punct de pe partea opusă a punctului central. Lumina din fanta mai aproape de acest al doilea punct ar ajunge înaintea luminii din fanta îndepărtată, astfel încât cele două valuri ar fi în afara pasului unul cu celălalt și s-ar putea anula reciproc pentru a produce întuneric.

după cum bănuia, Young a descoperit că atunci când undele de lumină din al doilea set de fante sunt răspândite (sau difractate), se întâlnesc și se suprapun. În unele cazuri, suprapunerea combină cele două valuri exact în pas. Cu toate acestea, în alte cazuri, undele luminoase sunt combinate fie ușor, fie complet în pas unul cu celălalt. Young a descoperit că atunci când valurile s-au întâlnit în pas, s-au adăugat împreună printr-un proces care a ajuns să fie numit interferență constructivă. Valurile care se întâlnesc din PAS se vor anula reciproc, un fenomen cunoscut sub numele de interferență distructivă. Între aceste două extreme, diferite grade de interferență constructivă și distructivă apar pentru a produce unde cu un spectru larg de amplitudini. Young a putut observa efectele interferențelor pe un ecran plasat la o distanță stabilită în spatele celor două fante. După ce a fost difractată, lumina recombinată de interferențe produce o serie de franjuri luminoase și întunecate de-a lungul lungimii ecranului.

deși aparent importante, concluziile lui Young nu au fost acceptate pe scară largă la acea vreme, în primul rând din cauza credinței copleșitoare în teoria particulelor. Pe lângă observațiile sale despre interferența luminii, Young a postulat că lumina de diferite culori era compusă din Unde cu lungimi diferite, un concept fundamental care este acceptat pe scară largă astăzi. În schimb, susținătorii teoriei particulelor au imaginat că diferite culori au fost derivate din particule care au fie mase diferite, fie călătoresc cu viteze diferite.

efectul de interferență nu este limitat la lumină. Valurile produse pe suprafața unui bazin sau iaz se vor răspândi în toate direcțiile și vor suferi un comportament identic. În cazul în care două valuri se întâlnesc în pas, ele se vor adăuga împreună pentru a face o undă mai mare prin interferențe constructive. Undele care se ciocnesc, care sunt în afara pasului, se vor anula reciproc prin interferențe distructive și vor produce o suprafață plană pe apă.

și mai multe dovezi pentru o natură a luminii asemănătoare undelor au fost descoperite atunci când comportamentul unui fascicul de lumină între polarizatorii încrucișați a fost examinat cu atenție (figura 7). Filtrele de polarizare au o structură moleculară unică care permite trecerea doar a luminii având o singură orientare. Cu alte cuvinte, un polarizator poate fi considerat un tip specializat de orb venețian molecular având rânduri minuscule de lamele care sunt orientate într-o singură direcție în interiorul materialului polarizant. Dacă un fascicul de lumină este lăsat să lovească un polarizator, numai razele de lumină orientate paralel cu direcția de polarizare sunt capabile să treacă prin polarizator. Dacă un al doilea polarizator este poziționat în spatele primului și orientat în aceeași direcție, atunci lumina care trece prin primul polarizator va trece și prin al doilea.

cu toate acestea, în cazul în care al doilea polarizator este rotit la un unghi mic, cantitatea de lumină care trece prin va fi scăzut. Când al doilea polarizator este rotit astfel încât orientarea să fie perpendiculară pe cea a primului polarizator, atunci niciuna dintre lumina care trece prin primul polarizator nu va trece prin al doilea. Acest efect este ușor de explicat cu teoria undelor, dar nici o manipulare a teoriei particulelor nu poate explica modul în care lumina este blocată de al doilea polarizator. De fapt, teoria particulelor nu este, de asemenea, adecvată pentru a explica interferența și difracția, efecte care s-ar dovedi ulterior a fi manifestări ale aceluiași fenomen.

efectele observate cu lumina polarizată au fost critice pentru dezvoltarea conceptului că lumina constă în unde transversale având componente perpendiculare pe direcția de propagare. Fiecare dintre componentele transversale trebuie să aibă o direcție de orientare specifică care să îi permită fie să treacă, fie să fie blocată de un polarizator. Numai acele unde cu o componentă transversală paralelă cu filtrul polarizant vor trece și toate celelalte vor fi blocate.

până la mijlocul anilor 1800, oamenii de știință deveneau din ce în ce mai convinși de caracterul de undă al luminii, dar a rămas o problemă arogantă. Ce este mai exact lumina? O descoperire a fost făcută atunci când fizicianul englez James Clerk Maxwell a descoperit că toate formele de radiații electromagnetice reprezintă un spectru continuu și călătoresc printr-un vid cu aceeași viteză: 186.000 de mile pe secundă. Descoperirea lui Maxwell a bătut în cuie sicriul teoriei particulelor și, până în zorii secolului 20, părea că întrebările de bază ale teoriei luminii și optice au primit în cele din urmă răspuns.

o lovitură majoră a teoriei undelor a avut loc în culise la sfârșitul anilor 1880, când oamenii de știință au descoperit pentru prima dată că, în anumite condiții, lumina ar putea disloca electroni din atomii mai multor metale (figura 8). Deși la început doar un fenomen curios și inexplicabil, s-a descoperit rapid că lumina ultravioletă ar putea scuti atomii de electroni într-o mare varietate de metale pentru a produce o sarcină electrică pozitivă. Fizicianul German Philipp Lenard a devenit interesat de aceste observații, pe care le-a numit efectul fotoelectric. Lenard a folosit o prismă pentru a împărți lumina albă în culorile sale componente și apoi a concentrat selectiv fiecare culoare pe o placă metalică pentru a expulza electronii.

ceea ce a descoperit Lenard l-a derutat și l-a uimit. Pentru o lungime de undă specifică de lumină (albastru, de exemplu), electronii au produs un potențial constant sau o cantitate fixă de energie. Scăderea sau creșterea cantității de lumină a produs o creștere sau o scădere corespunzătoare a numărului de electroni eliberați, dar fiecare a menținut în continuare aceeași energie. Cu alte cuvinte, electronii care scapă de legăturile lor atomice aveau energii care depindeau de lungimea de undă a luminii, nu de intensitate. Acest lucru este contrar a ceea ce s-ar aștepta de la teoria valurilor. Lenard a descoperit, de asemenea, o legătură între lungimea de undă și energie: lungimile de undă mai scurte au produs electroni cu cantități mai mari de energie.

Fundația pentru o legătură între lumină și atomi a fost aruncată la începutul anilor 1800, când William Hyde Wollaston a descoperit că spectrul soarelui nu era o bandă continuă de lumină, ci conținea sute de lungimi de undă lipsă. Peste 500 de linii înguste corespunzătoare lungimilor de undă lipsă au fost cartografiate de fizicianul German Joseph von Fraunhofer, care a atribuit litere celor mai mari goluri. Mai târziu, s-a descoperit că golurile au fost produse din absorbția unor lungimi de undă specifice de către atomii din stratul exterior al soarelui. Aceste observații au fost unele dintre primele legături dintre atomi și lumină, deși impactul fundamental nu a fost înțeles la acea vreme.

în 1905, Albert Einstein a postulat că lumina ar putea avea de fapt unele caracteristici ale particulelor, indiferent de dovezile copleșitoare pentru o natură asemănătoare undelor. În dezvoltarea teoriei sale cuantice, Einstein a sugerat matematic că electronii atașați atomilor dintr-un metal pot absorbi o cantitate specifică de lumină (denumită mai întâi cuantică, dar ulterior schimbată în foton) și astfel au energia pentru a scăpa. De asemenea, el a speculat că, dacă energia unui foton ar fi invers proporțională cu lungimea de undă, atunci lungimile de undă mai scurte ar produce electroni cu energii mai mari, ipoteză suportată de fapt din rezultatele cercetărilor lui Lenard.

teoria lui Einstein a fost solidificată în anii 1920 prin experimentele fizicianului american Arthur H. Compton, care a demonstrat că fotonii au impuls, o condiție necesară pentru a susține teoria că materia și energia sunt interschimbabile. Cam în același timp, omul de știință francez Louis-Victor de Broglie a propus că toată materia și radiația au proprietăți care seamănă atât cu o particulă, cât și cu o undă. De Broglie, urmând exemplul lui Max Planck, a extrapolat faimoasa formulă a lui Einstein care relaționează masa și energia pentru a include constanta lui Planck:

unde E este energia unei particule, m Masa, c este viteza luminii, h este constanta lui Planck, iar absolutul este frecvența. Lucrarea lui de Broglie, care leagă frecvența unei unde de energia și masa unei particule, a fost fundamentală în dezvoltarea unui nou câmp care ar fi în cele din urmă utilizat pentru a explica atât natura luminii asemănătoare undelor, cât și a particulelor. Mecanica cuantică s-a născut din cercetările lui Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr, Erwin Schr și alții care au încercat să explice modul în care radiația electromagnetică poate afișa ceea ce a fost numit acum dualitate, sau atât comportamentul asemănător particulelor, cât și al undelor. Uneori lumina se comportă ca o particulă, iar alteori ca o undă. Acest rol complementar sau dual pentru comportamentul luminii poate fi folosit pentru a descrie toate caracteristicile cunoscute care au fost observate experimental, variind de la refracție, reflecție, interferență și difracție, la rezultatele cu lumină polarizată și efect fotoelectric. Combinate, proprietățile luminii lucrează împreună și ne permit să observăm frumusețea universului.