Lys: Partikkel Eller Bølge?

den nøyaktige naturen til synlig lys er et mysterium som har forvirret mennesket i århundrer. Greske forskere fra Den Gamle Pythagoranske disiplinen postulerte at hvert synlig objekt avgir en jevn strøm av partikler, Mens Aristoteles konkluderte med at lyset beveger seg på en måte som ligner bølger i havet. Selv om disse ideene har gjennomgått mange modifikasjoner og en betydelig grad av evolusjon de siste 20 århundrene, er essensen av tvisten etablert av de greske filosofer fortsatt til denne dagen.

et synspunkt ser for seg lys som bølgelignende i naturen, og produserer energi som krysser gjennom rommet på en måte som ligner krusninger som sprer seg over overflaten av en stille dam etter å ha blitt forstyrret av en tapt stein. Det motsatte syn mener at lyset består av en jevn strøm av partikler, mye som små dråper vann sprayet fra en hageslange dyse. I løpet av de siste århundrene, konsensus av mening har vaklet med ett syn rådende for en periode, bare for å bli veltet av bevis for den andre. Bare i løpet av de første tiårene av det 20. Århundre var nok overbevisende bevis samlet for å gi et omfattende svar, og til alles overraskelse viste begge teoriene seg å være riktige, i hvert fall delvis.

i begynnelsen Av det Attende Århundre hadde argumentet om lysets natur gjort det vitenskapelige samfunn til delte leirer som kjempet kraftig over gyldigheten av deres favorittteorier. En gruppe forskere, som abonnerer på bølgeteorien, sentrert sine argumenter på funn Av Hollender Christiaan Huygens. Den motsatte leiren sitert Sir Isaac Newtons prismeforsøk som bevis på at lys reiste som en dusj av partikler, hver fortsetter i en rett linje til den ble brutt, absorbert, reflektert, diffraktert eller forstyrret på annen måte. Selv Om Newton, selv, syntes å ha noen tvil om hans corpuscular teori om lysets natur, hans prestisje i det vitenskapelige samfunn holdt så mye vekt at hans talsmenn ignorert alle andre bevis i løpet av sine glupske kamper.

Huygens ‘ teori om lysbrytning, basert på konseptet av lysets bølgelignende natur, hevdet at lysets hastighet i et hvilket som helst stoff var omvendt proporsjonal med brytningsindeksen. Med Andre ord postulerte Huygens at jo mer lys var «bøyd» eller brytes av et stoff, jo langsommere ville det bevege seg mens det krysset over det stoffet. Hans tilhengere konkluderte med at hvis lys var sammensatt av en strøm av partikler, ville den motsatte effekten oppstå fordi lys som kommer inn i et tettere medium, ville bli tiltrukket av molekyler i mediet og oppleve en økning, snarere enn en reduksjon, i fart. Selv om den perfekte løsningen på dette argumentet ville være å måle lysets hastighet i forskjellige stoffer, luft og glass for eksempel, var enhetene i perioden ikke opp til oppgaven. Lyset syntes å bevege seg i samme hastighet uavhengig av materialet som det passerte. Over 150 år gikk før lysets hastighet kunne måles med høy nok nøyaktighet for å bevise At Huygens-teorien var riktig.

Til Tross For Sir Isaac Newtons høyt ansett rykte, var en rekke fremtredende forskere tidlig på 1700-tallet ikke enige med hans korpuskulære teori. Noen hevdet at hvis lys besto av partikler, så når to bjelker krysses, ville noen av partiklene kollidere med hverandre for å produsere en avvik i lysstrålene. Dette er åpenbart ikke tilfelle, så de konkluderte med at lys ikke må bestå av individuelle partikler.

Huygens, for all sin intuisjon, hadde foreslått i sin 1690 avhandling Traité de La Lumiè at lysbølger reiste gjennom rommet mediert av eter, en mystisk vektløs substans, som eksisterer som en usynlig enhet gjennom luft og rom. Søket etter eter forbrukes en betydelig mengde ressurser i Løpet Av Det Nittende Århundre før endelig blir stedt til hvile. Etherteorien varte i det minste til slutten av 1800-tallet, noe Som Fremgår Av Charles Wheatstones foreslåtte modell som demonstrerte at ether bar lysbølger ved å vibrere i en vinkel vinkelrett på lysutbredelsesretningen, Og James Clerk Maxwells detaljerte modeller som beskriver konstruksjonen av den usynlige substansen. Huygens trodde at eter vibrerte i samme retning som lys, og dannet en bølge selv da den bar lysbølgene. I Et senere bind, Huygens’ Prinsipp, beskrev Han genialt hvordan hvert punkt på en bølge kunne produsere sine egne bølger, som deretter legger sammen for å danne en bølgefront. Huygens benyttet denne ideen til å produsere en detaljert teori for brytningsfenomenet, og også å forklare hvorfor lysstråler ikke krasjer i hverandre når de krysser stier.

når en lysstråle beveger seg mellom to medier som har forskjellige brytningsindekser, gjennomgår strålen brytning, og endrer retning når den passerer fra det første mediet til det andre. For å avgjøre om lysstrålen består av bølger eller partikler, kan en modell for hver utarbeides for å forklare fenomenet (Figur 3). Ifølge Huygens ‘ bølgeteori bør en liten del av hver vinklet bølgefront påvirke det andre mediet før resten av fronten når grensesnittet. Denne delen vil begynne å bevege seg gjennom det andre mediet mens resten av bølgen fortsatt reiser i det første mediet, men vil bevege seg sakte på grunn av den høyere brytningsindeksen til det andre mediet. Fordi bølgefronten nå reiser med to forskjellige hastigheter, vil den bøye seg inn i det andre mediet, og dermed endre forplantningsvinkelen. I motsetning har partikkelteori en ganske vanskelig tid å forklare hvorfor partikler av lys skal forandre retning når de passerer fra ett medium til et annet. Proponenter av teorien antyder at en spesiell kraft, rettet vinkelrett på grensesnittet, virker for å endre partikkelens hastighet når de kommer inn i det andre mediet. Den nøyaktige naturen til denne kraften ble overlatt til spekulasjon, og ingen bevis har noen gang blitt samlet for å bevise teorien.

En annen utmerket sammenligning av de to teoriene innebærer forskjellene som oppstår når lys reflekteres fra en jevn, speilflate, for eksempel et speil. Bølgeteori spekulerer på at en lyskilde avgir lysbølger som sprer seg i alle retninger. Ved å påvirke et speil reflekteres bølgene i henhold til ankomstvinklene, men med hver bølge vendt tilbake til forsiden for å produsere et reversert bilde(Figur 4). Formen på ankommer bølger er sterkt avhengig av hvor langt lyskilden er fra speilet. Lys som kommer fra en nær kilde, opprettholder fortsatt en sfærisk, svært buet bølgefront, mens lys som sendes ut fra en avstandskilde, vil spre seg mer og påvirke speilet med bølgefronter som er nesten plan.

saken for en partikkel natur for lys er langt sterkere med hensyn til refleksjonsfenomenet enn det er for brytning. Lys fra en kilde, enten nær eller langt, kommer til speiloverflaten som en strøm av partikler, som spretter bort eller reflekteres fra den glatte overflaten. Fordi partiklene er svært små, er et stort antall involvert i en forplantende lysstråle, hvor de reiser side om side veldig tett sammen. Ved påvirkning av speilet spretter partiklene fra forskjellige punkter, slik at deres rekkefølge i lysstrålen reverseres ved refleksjon for å produsere et reversert bilde, som vist i Figur 4. Både partikkel-og bølgeteoriene forklarer tilstrekkelig refleksjon fra en jevn overflate. Partikkelteorien antyder imidlertid også at hvis overflaten er veldig grov, spretter partiklene bort i en rekke vinkler og sprer lyset. Denne teorien passer svært tett til eksperimentell observasjon.

Partikler og bølger bør også oppføre seg annerledes når de møter kanten av et objekt og danner en skygge(Figur 5). Newton var rask til å påpeke I Sin 1704 bok Opticks, At «Lys er aldri kjent for å følge krokete passasjer eller å bøye seg inn i skyggen». Dette konseptet er i samsvar med partikkelteorien, som foreslår at lyspartikler alltid må bevege seg i rette linjer. Hvis partiklene støter på kanten av en barriere, vil de kaste en skygge fordi partiklene som ikke er blokkert av barrieren, fortsetter i en rett linje og ikke kan spre seg bak kanten. På makroskopisk skala er denne observasjonen nesten riktig, men den er ikke enig med resultatene fra lysdiffraksjonseksperimenter i mye mindre skala.

når lyset passerer gjennom en smal spalt, sprer strålen seg og blir bredere enn forventet. Denne fundamentalt viktige observasjonen gir en betydelig troverdighet til bølgeteorien om lys. Som bølger i vann synes lysbølger som møter kanten av et objekt å bøye seg rundt kanten og inn i sin geometriske skygge, som er en region som ikke er direkte opplyst av lysstrålen. Denne oppførselen er analog med vannbølger som vikler rundt enden av en flåte, i stedet for å reflektere bort.

Nesten hundre år etter At Newton og Huygens foreslo sine teorier, utførte En engelsk fysiker Ved Navn Thomas Young et eksperiment som sterkt støttet lysets bølgelignende natur. Fordi Han trodde at lyset var sammensatt av bølger, tenkte Young at en slags interaksjon ville oppstå når to lysbølger møtte. For å teste denne hypotesen brukte han en skjerm som inneholdt en enkelt, smal spalt for å produsere en sammenhengende lysstråle (som inneholder bølger som forplanter seg i fase) fra vanlig sollys. Når solens stråler møter spalten, sprer de seg ut eller diffrakter for å produsere en enkelt bølgefront. Hvis denne fronten får lov til å belyse en annen skjerm med to tett adskilte spalter, produseres to ekstra kilder til sammenhengende lys, perfekt i takt med hverandre (Se Figur 6). Lys fra hver spalt som reiser til et enkelt punkt halvveis mellom de to spaltene, skal komme perfekt i trinn. De resulterende bølgene bør forsterke hverandre for å produsere en mye større bølge. Men hvis et punkt på hver side av det sentrale punktet vurderes, må lys fra en spalt reise mye lenger for å nå et andre punkt på motsatt side av det sentrale punktet. Lys fra spalten nærmere dette andre punktet ville komme før lys fra den fjerne spalten, slik at de to bølgene ville være ute av takt med hverandre, og kunne avbryte hverandre for å produsere mørke.

Som han mistenkte, Oppdaget Young at når lysbølgene fra det andre settet av slisser er spredt (eller diffracted), møter de hverandre og overlapper. I noen tilfeller kombinerer overlappingen de to bølgene nøyaktig i trinn. I andre tilfeller kombineres lysbølgene enten litt eller helt ut av takt med hverandre. Young fant at når bølgene møttes i trinn, de lagt sammen av en prosess som har kommet for å bli kalt konstruktiv interferens. Bølger som møtes ut av trinn, vil avbryte hverandre, et fenomen kjent som destruktiv forstyrrelse. Mellom disse to ytterpunktene oppstår ulike grader av konstruktiv og destruktiv interferens for å produsere bølger som har et bredt spekter av amplituder. Young var i stand til å observere effekten av interferens på en skjerm plassert på en bestemt avstand bak de to slissene. Etter å ha blitt diffrakt, produserer lyset som er rekombinert av forstyrrelser en serie lyse og mørke frynser langs lengden på skjermen.

Selv om det tilsynelatende var viktig, Var youngs konklusjoner ikke allment akseptert på den tiden, først og fremst på grunn av den overveldende troen på partikkelteorien. I tillegg til sine observasjoner om lysinterferens, postulerte Young at lys av forskjellige farger var sammensatt av bølger med forskjellige lengder, et grunnleggende konsept som er allment akseptert i dag. I motsetning til dette så partikkelteorien for seg at forskjellige farger ble avledet fra partikler som enten hadde forskjellige masser eller reiste med forskjellige hastigheter.

interferenseffekten er ikke begrenset til lys. Bølger produsert på overflaten av et basseng eller dam vil spre seg i alle retninger og gjennomgå en identisk oppførsel. Hvor to bølger møtes i trinn, vil de legge sammen for å lage en større bølge ved konstruktiv forstyrrelse. Kolliderende bølger som er ute av trinn, vil avbryte hverandre via destruktiv forstyrrelse og gi en jevn overflate på vannet.

Enda flere bevis for en bølgelignende natur av lys ble avdekket da oppførselen til en lysstråle mellom kryssede polarisatorer ble nøye undersøkt (Figur 7). Polariserende filtre har en unik molekylær struktur som tillater bare lys å ha en enkelt orientering å passere gjennom. Med andre ord kan en polarisator betraktes som en spesialisert type molekylær Persienner som har små rader av lameller som er orientert i en enkelt retning i polariseringsmaterialet. Hvis en lysstråle får lov til å påvirke en polarisator, kan bare lysstråler orientert parallelt med polariseringsretningen passere gjennom polarisatoren. Hvis en annen polarisator er plassert bak den første og orientert i samme retning, vil lys som passerer gjennom den første polarisatoren også passere gjennom den andre.

men hvis den andre polarisatoren roteres i liten vinkel, vil mengden lys som passerer gjennom, bli redusert. Når den andre polarisatoren roteres slik at orienteringen er vinkelrett på den første polarisatoren, vil ingen av lyset som passerer gjennom den første polarisatoren passere gjennom den andre. Denne effekten er lett forklart med bølgeteorien, men ingen manipulering av partikkelteorien kan forklare hvordan lys blokkeres av den andre polarisatoren. Faktisk er partikkelteorien heller ikke tilstrekkelig til å forklare interferens og diffraksjon, effekter som senere ville bli funnet å være manifestasjoner av det samme fenomenet.

effektene observert med polarisert lys var kritiske for utviklingen av konseptet at lys består av tverrbølger som har komponenter som er vinkelrett på forplantningsretningen. Hver av de tverrgående komponentene må ha en bestemt orienteringsretning som gjør at den enten kan passere gjennom eller blokkeres av en polarisator. Bare de bølgene med en tverrkomponent parallelt med polariseringsfilteret vil passere gjennom, og alle andre vil bli blokkert.

ved midten av 1800-tallet ble forskerne stadig mer overbevist om lysets bølgelignende karakter, men det var fortsatt et overbærende problem. Hva er egentlig lys? Et gjennombrudd ble gjort da det ble oppdaget av engelsk fysiker James Clerk Maxwell at alle former for elektromagnetisk stråling representerer et kontinuerlig spektrum, og reiser gjennom et vakuum med samme hastighet: 186.000 miles per sekund. Maxwells oppdagelse spikret effektivt kisten til partikkelteorien, og ved begynnelsen av det 20.Århundre virket det som om de grunnleggende spørsmålene om lys og optisk teori endelig var blitt besvart.

et stort slag mot bølgeteorien skjedde bak kulissene på slutten av 1880-tallet da forskere først oppdaget at under visse forhold kunne lys løsne elektroner fra atomer av flere metaller (Figur 8). Selv om det først var et nysgjerrig og uforklarlig fenomen, ble det raskt oppdaget at ultrafiolett lys kunne avlaste atomer av elektroner i et bredt spekter av metaller for å produsere en positiv elektrisk ladning. Den tyske fysikeren Philipp Lenard ble interessert i disse observasjonene, som han kalte den fotoelektriske effekten. Lenard brukte et prisme for å dele hvitt lys inn i komponentfargene, og deretter selektivt fokusert hver farge på en metallplate for å utvise elektroner.

Det Lenard oppdaget forvirret og forundret Ham. For en bestemt bølgelengde av lys (for eksempel blå) produserte elektronene et konstant potensial, eller en fast mengde energi. Å redusere eller øke mengden lys ga en tilsvarende økning eller reduksjon i antall elektroner frigjort, men hver opprettholdt fortsatt den samme energien. Med andre ord, elektroner som rømte sine atombindinger, hadde energier som var avhengige av lysets bølgelengde, ikke intensiteten. Dette er i strid med hva som forventes fra bølgeteorien. Lenard oppdaget også en sammenheng mellom bølgelengde og energi: kortere bølgelengder produserte elektroner med større mengder energi.

grunnlaget for en forbindelse mellom lys og atomer ble kastet tidlig på 1800-tallet da William Hyde wollaston oppdaget at solens spektrum ikke var et kontinuerlig lysbånd, men inneholdt hundrevis av manglende bølgelengder. Over 500 smale linjer som tilsvarer manglende bølgelengder ble kartlagt av tysk fysiker Joseph von Fraunhofer, som tildelte brev til de største hullene. Senere ble det oppdaget at hullene ble produsert fra absorpsjon av bestemte bølgelengder av atomer i solens ytre lag. Disse observasjonene var noen av de første koblingene mellom atomer og lys, selv om den grunnleggende effekten ikke ble forstått på den tiden.

I 1905 postulerte Albert Einstein at lys faktisk kunne ha noen partikkelegenskaper, uavhengig av det overveldende beviset for en bølgelignende natur. Ved å utvikle sin kvanteteori foreslo Einstein matematisk at elektroner festet til atomer i et metall kan absorbere en bestemt mengde lys (først betegnet et kvantum, men senere endret til en foton) og dermed ha energi til å unnslippe. Han spekulerte også på at hvis energien til en foton var omvendt proporsjonal med bølgelengden, ville kortere bølgelengder produsere elektroner med høyere energier, en hypotese som faktisk ble båret fra Resultatene Av Lenards forskning.

Einsteins teori ble størknet på 1920 – tallet av eksperimenter Av Amerikansk fysiker Arthur H. Compton, som viste at fotoner hadde momentum, en nødvendig forutsetning for å støtte teorien om at materie og energi er utskiftbare. Omtrent samtidig foreslo fransk forsker Louis-Victor De Broglie at all materie og stråling har egenskaper som ligner både en partikkel og en bølge. De Broglie, etter Max Plancks ledelse, ekstrapolerte Einsteins berømte formel om masse og energi for å inkludere Plancks konstant:

Hvor E er energien til en partikkel, m massen, c er lysets hastighet, h er Plancks konstant, og ν er frekvensen. De Broglie arbeid, som relaterer frekvensen av en bølge til energi og masse av en partikkel, var grunnleggende i utviklingen av et nytt felt som til slutt ville bli brukt til å forklare både bølge-lignende og partikkel-lignende natur lys. Kvantemekanikk ble født fra Forskningen Til Einstein, Planck, De Broglie, Neils Bohr, Erwin Schrö, og andre som forsøkte å forklare hvordan elektromagnetisk stråling kan vise det som nå kalles dualitet, eller både partikkellignende og bølgelignende oppførsel. Noen ganger oppfører lyset seg som en partikkel, andre ganger som en bølge. Denne komplementære eller doble rollen for lysets oppførsel kan brukes til å beskrive alle de kjente egenskapene som har blitt observert eksperimentelt, alt fra brytning, refleksjon, interferens og diffraksjon, til resultatene med polarisert lys og den fotoelektriske effekten. Kombinert fungerer lysets egenskaper sammen og tillater oss å observere universets skjønnhet.